CHUYÊN ĐỀ “ỨNG DỤNG VI SINH VẬT VÀ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ GEN” Người viết: Vũ Thị Luận Đơn vị: Trường THPT chuyên Lương Văn Tụy – Ninh Bình A MỞ ĐÂU I Lý chọn đề tài Vi sinh vật sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi Vi sinh vật bao gồm virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh.v.v Và chúng có đặc điểm chung là: - Kích thước nhỏ bé - Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh - Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh - Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị - Phân bố rộng, chủng loại nhiều Với đặc điểm quan trọng kể nên vi sinh vật đã, có nhiều ứng dụng quan trọng đời sống người đặc biệt dựa hiểu biết di truyền vi sinh vật có nhiều ứng dụng quan trọng Trong công tác giảng dạy Sinh học, qua kinh nghiệm lâu năm dạy chuyên đề ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi thấy tài liệu vi sinh vật nhiều tài liệu ứng dụng vi sinh vật chưa có tính chất hệ thống mang tính chất liệt kê Nhằm có tài liệu hệ thống đầy đủ ứng dụng vi sinh vật để hiểu sâu công nghệ gen, lựa chọn thực viết chuyên đề: “Ứng dụng vi sinh vật ứng dụng vi sinh vật công nghệ gen” II Mục đích đề tài - Hệ thống lại kiến thức lý thuyết vi sinh vật, đặc điểm chung vi sinh vật - Giới thiệu ứng dụng vi sinh vật - Làm rõ khái niệm công nghệ gen để thấy vi sinh vật đối tượng có vai trò quan trọng côn nghệ gen từ giới thiệu ứng dụng công nghệ gen dựa di truyền vi sinh vật - Cung cấp hệ thống câu hỏi tập liên quan đến ứng dụng vi sinh vật lên quan đến công nghệ gen B NỘI DUNG I KHÁI NIỆM VI SINH VẬT Vi sinh vật sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với đơn vị phân loại phân loại khoa học Nó bao gồm virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh.v.v Đặc diểm chung vi sinh vật: Kích thước nhỏ bé Kích thước vi sinh vật thường đo micromet Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Vi khuẩn lactic (Lactobacillus) phân giải lượng đường lactozơ nặng 1000-10000 lần khối lượng chúng Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với sinh vật khác vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng lớn Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật có khắp nơi trái đất, điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ cao miệng núi lửa, nhiệt độ thấp Nam Cực, áp suất lớn đáy đại dương thấy có mặt vi sinh vật Vi sinh vật có khoảng 100 nghìn loài bao gồm 30 nghìn loài động vật nguyên sinh, 69 nghìn loài nấm, 1,2 nghìn loài vi tảo, 2,5 nghìn loài vi khuẩn lam, 1,5 nghìn loài vi khuẩn, 1,2 nghìn loài virut ricketxi II ỨNG DỤNG VI SINH VẬT- CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VẬT Khái niệm công nghệ sinh học vi sinh vật Công nghệ sinh học (Biotechnology) thuật ngữ khoa học kỹ sư người Hungary Karl Ereky nêu vào năm 1917 để trình nuôi lợn với quy mô lớn thức ăn củ cải đường lên men nhờ vi sinh vật Sau vào năm 1961, tạp chí khoa học “JouARNl of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology” (Tạp chí kĩ thuật công nghệ vi sinh sinh hóa) đổi tên thành “Biotechnology and Bioengineering” (“Công nghệ sinh học kĩ thuật sinh học”) Tuy nhiên, thuật ngữ nhắc đến 50 năm sử dụng rộng rãi sau phát minh Kĩ thuật di truyền-Gentic engineering vào đầu năm 70 kỷ trước, có lúc người ta coi "bùng nổ" công nghệ sinh học Trước thập kỷ 70, công nghệ sinh học hiểu lên men công nghiệp (industrial fermentation) vi sinh vật để tạo thương phẩm Trong thập kỷ 60 70, công nghệ lên men phát triển thành ngành công nghiệp lớn giới với doanh số gần trăm tỉ USD/năm Sự hoàn thiện trang thiết bị tất khâu kiểm soát, điều khiển phản ứng tế bào trình độ cao làm tăng sản lượng đáng kể Tuy nhiên, khâu định làm giảm đáng kể giá thành suất chủng giống Phương pháp chọn giống cổ điển thực với chủng phân lập từ thiên nhiên sau gây đột biến tia tử ngoại, tia phóng xạ hay hóa chất Khó kể hết thành tựu vô to lớn công nghệ sinh học đến mức mà kỷ 21 mang danh kỷ công nghệ sinh học Ở nêu tiếp số ứng dụng chủ yếu liên quan đến đối tượng vi sinh vật gọi công nghệ sinh học vi sinh vật Công nghệ sinh học vi sinh vật (công nghệ vi sinh) trình sản xuất quy mô công nghiệp có tham gia vi sinh vật dựa thành tựu tổng hợp nhiều môn khoa học, phục vụ cho việc tăng cải vật chất xã hội bảo vệ lợi ích người Ứng dụng công nghệ vi sinh: 2.1 Ứng dụng trực tiếp: - Phân bón vi sinh vật: sản phẩm chứa hay nhiều loài vi sinh vật sống tuyển chọn có mật độ theo tiêu chuẩn quy định, có tác dụng tạo chất dinh dưỡng hoạt chất sinh học có ích cho trồng cải tạo đất Ví dụ: Chế phẩm Nitragin, Azotobacterin chứa vi sinh vật có khả cố định nitơ tự không khí Chế phẩm Photphobacterin chứa vi sinh vật có khả phân giải photpho khó tan đất Hoặc chế phẩm nấm rễ, chế phẩm tảo lam… - Chế phẩm vi sinh vật dùng bảo vệ thực vật: Hiện nay, việc ứng dụng vi sinh vật để bảo vệ thực vật quan tâm gây độc hại đảm bảo cân sinh thái; kể đến số chế phẩm sau: + Virus gây bệnh cho côn trùng: Người ta thường dùng virus đa diện nhân (NPV) để gây cho côn trùng ngừng ăn, hoạt động, trương phù Hiện nay, người ta sản xuất chế phẩm để trừ sâu xanh, sâu róm thông… + Vi khuẩn gây bệnh cho côn trùng chuột: Hiện nay, người ta sản xuất số chế phẩm từ vi khuẩn gây bệnh cho côn trùng chuột chế phẩm Bt để trừ sâu tơ, sâu xanh bướm trắng hại rau chế phẩm Biorat, chế phẩm Miroca để gây bệnh đường ruột cho chuột + Ngoài ra, người ta nghiên cứu sản xuất nấm gây bệnh cho côn trùng, động vật nguyên sinh ký sinh côn trùng, tuyến trùng ký sinh côn trùng + Vi sinh vật đối kháng: Ngoài việc ứng dụng vi sinh vật gây bệnh cho côn trùng dịch hại trên, người ta nghiên cứu tìm loài nấm, loài vi khuẩn, loài virus đối kháng với vi sinh vật gây bệnh cỏ dại tức có mặt loài vi sinh vật vi sinh vật gây bệnh mà đối kháng với chúng không phát sinh, phát triển Ví dụ: sử dụng nấm Penicillium (các dạng oxalicum, frequentans, vermiculatum, nigricans, chrysogetum) để đối kháng với nấm Pythium spp Rhioctonica solani, Selerotium cepivorum, Vertcillium alboatrum; sử dụng vi khuẩn Steptomyces griseoviridy để đối kháng với bệnh nấm Fusarium - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật để sản xuất men tiêu hoá cho vật nuôi: Người ta sản xuất men tiêu hoá cho vật nuôi cách sử dụng vi khuẩn có lợi cho hệ tiêu hoá vi khuẩn Bacillus subtilis… 2.2 Ứng dụng gián tiếp - Sản xuất phân bón hữu sinh học (compost): Phân bón hữu sinh học loại phân bón tạo thành nhờ trình lên men chất hữu có nguồn gốc khác (phế thải sản xuất nông lâm nghiệp, phế thải công nghiệp chế biến, phế thải sinh hoạt…) vi sinh vật hoạt chất sinh học chúng tạo thành mùn Ví dụ lên men bã mía, mùn cưa, rơm rạ, rác thải hữu cơ, than bùn… vi sinh vật hữu hiệu (EM) thành phân bón (gọi Bokashi) - Cải tạo giống trồng vi sinh vật: Hiện nay, người ta dùng vi khuẩn chuyển gen vào trồng thông qua tế bào bị thương để từ nuôi cấy nhân nhanh tế bào môi trường nhân tạo cho tái sinh thành giống - Sản xuất chất điều hoà sinh trưởng từ vi sinh vật: Người ta sản xuất chất điều hoà sinh trưởng Gibberellin, Auxin từ vi sinh vật - Sản xuất thức ăn cho vật nuôi từ vi sinh vật: Dùng vi sinh vật có ích để lên men thức ăn cho vật nuôi (dạng Bokashi), dạng thức ăn làm cho vật nuôi tiêu hoá tốt, ngủ nhiều, tăng trọng nhanh - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật để sản xuất vaccine kháng sinh cho vật nuôi: Một phần lớn loại vaccine kháng sinh dùng cho vật nuôi sản xuất từ vi sinh vật Ví dụ vaccine phòng bệnh lở mồm long móng gia súc, vaccine phòng bệnh Niu cát sơn gia cầm, vaccine gumboro phòng bệnh suy giảm miễn dịch cho gia cầm… Các loại thuốc kháng sinh sử dụng để chữa bệnh cho vật nuôi phần lớn có nguồn gốc từ vi sinh vật 2.3 Một số hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh vật bảo vệ môi trường: - Khử mùi hôi thối môi trường sống: Mùi hôi thối rác thải, chuồng trại chăn nuôi nhóm vi sinh vật tạo Người ta sử dụng số nhóm vi sinh vật khác để ức chế hoạt động vi sinh vật Cụ thể, dùng vi sinh vật hữu hiệu (EM) phun vào bãi rác chuồng trại chăn nuôi làm giảm tới 70-90 % mùi hôi thối Hiện nay, tất bãi rác lớn Việt Nam dùng EM để xử lý Dùng EM làm cho rác phân giải triệt để nên kéo dài thời gian sử dụng bãi rác góp phần nâng cao hiệu kinh tế bãi chứa rác Ví dụ: + Tại Công ty xử lý rác thải thành phố Hồ Chí Minh (HOWADICO) sử dụng chế phẩm EM thứ cấp pha loãng theo tỷ lệ 1/400 phun vào rác thải đô thị sau tuần phun mùi hôi giảm dần; sau tháng theo đánh giá chung toàn công nhân công trường xử lý rác, mùi hôi giảm khoảng 75-80 % - Sở Khoa học Công nghệ Môi trường tỉnh Vĩnh Long kết hợp với trung tâm CTA tiến hành thử nghiệm sử dụng chế phẩm EM để xử lý mùi hôi chăn nuôi với lượng dùng lít dung dịch EM thứ cấp % phun cho 1m2 bề mặt chuồng, sau 24 mùi hôi giảm rõ Sau 3-4 ngày phun liên tục mùi hôi giảm đến 80 % + Tại Công ty TAMICO (TP Hồ Chí Minh): Dùng EM thứ cấp pha loãng 0,5% phun lên tường, sàn nhà nơi chứa da, nơi thuộc da toàn mặt sản xuất Công ty; phun thường xuyên 15 ngày liên tục từ ngày thứ 16 trở phun cách nhật Kết mùi hôi giảm rõ rệt, thông số kiểm nghiệm môi trường đạt mức cho phép - Phân huỷ chất thải môi trường sống: Chúng ta thử hình dung, không giới vi sinh vật mặt đất không chỗ đặt chân bị phủ kín rác thải Xã hội phát triển rác thải nhiều xử lí rác thải trở nên quan trọng hết Có nhiều phương pháp xử lí rác thải dùng vi sinh vật để phân huỷ rác coi giải pháp hữu hiệu Tuỳ theo loại rác thải mà người ta chọn lựa nhóm vi sinh vật khác để phân huỷ chúng + Phân huỷ chất thải hữu cơ: Hiện nay, rác thải hữu việc dùng vi sinh vật để xử lí thành phân hữu dùng bón cho trồng, cải tạo đất vấn đề quan tâm Người ta dùng vi khuẩn, nấm sợi, xạ khuẩn để phân giải xenluloza, lignin… Ví dụ, người ta sử dụng EM ủ với chất thải hữu phân chuồng để chế biến thành phân bón hữu chất lượng cao + Phân huỷ chất thải vô công nghiệp: Rác thải vô loại khó xử lí, biện pháp tái chế, thiêu huỷ, chôn lấp người nghiên cứu tìm kiếm chủng vi sinh vật có khả phân huỷ chúng Ngày nay, người ta tìm thử nghiệm chủng vi sinh vật phân huỷ xăng dầu, kim loại nặng… 2.4 Một số hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh vật công nghiệp - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật chế biến thực phẩm: Việc ứng dụng vi sinh vật chế biến thực phẩm người sử dụng từ lâu ngày rộng rãi Hiện nay, phần lớn công nghệ chế biến thực phẩm có sử dụng vi sinh vật công nghệ lên men Ví dụ sản xuất bánh mỳ, rượu, bia, sữa chua, nước mắm, chế biến tinh bột, nước uống lên men - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật sản xuất nguồn lượng: Các nhà khoa học dự báo nguồn lượng than, dầu khí… loại lượng người sử dụng ngườn tài nguyên không tái tạo nên ngày phương pháp mới, giới thiệu Raskin cs (1999) Những gen mã hóa cho protein gắn với promoter đảm bảo cho protein tổng hợp rễ Tiếp theo protein tạo thành có hệ thống tín hiệu, đảm bảo cho vận chuyển vào vị trí xác định tế bào Trong trường hợp đặc biệt protein vận chuyển vào mạng lưới nội chất (endoplasmatic reticulum: ER) Protein vào ER thải bên vùng rễ, promoter đặc hiệu cho vùng Người ta dùng số dung dịch muối để tách protein cách dễ dàng với giá thành hợp lý Một ví dụ điển hình hướng ứng dụng này: Người ta tạo hai loại thuốc chuyển gen, loại có khả sản xuất hai mạch immunoglobin nhẹ nặng Thế hệ sinh từ lai hai loại biểu kháng thể hoạt động gồm hai loại mạch với hàm lượng cao (1,3% tổng protein lá) có tất đặc tính kháng thể đơn dòng sản sinh từ hybridoma Thaumatin protein chiết xuất từ thịt Thaumatococus danielle, có độ gấp 1.000 lần đường saccharose Người ta thành công việc chuyển gen mã hóa cho thaumatin (thaumatin II) vào khoai tây, tạo khoai tây có lá, thân rễ, củ Kết mở triển vọng lớn ăn - Cây trồng chuyển gen mang tính bất dục đực Các hoa màu đạt suất cao trồng từ hạt lai qua trình chọn lọc khắt khe Các hạt có ưu lai cao kết trình lai xa Ở tự thụ phấn ngô, trước người ta tốn công lao động để loại bỏ cờ bắp (cụm hoa đực) nhằm tránh tượng tự thụ phấn Tuy nhiên, công trình thử nghiệm chuyển phức hợp gồm gen rolC A tumefaciens promoter CaMV 35S (cauliflower mosaic virus: virus gây bệnh khảm súp-lơ) vào thuốc thu chuyển gen bất thụ Kết nghiên cứu áp dụng loại khác - Thực vật biến đổi gen để sản xuất acid béo thiết yếu Như biết, nguồn cung cấp chủ yếu acid béo thiết yếu dầu cá tài nguyên hải sản bị cạn kiệt gia tăng độc tố loại hải sản khác trở thành nguy tiềm tàng Do vậy, việc nghiên cứu sản xuất acid béo thiết yếu có tiềm to lớn việc phát triển nguồn cung cấp thay Gần đây, nhà nghiên cứu Đại học Bristol (Anh) thông báo việc sản xuất hai chuỗi dài acid béo không sản sinh cholesterol với số lượng lớn thực vật bậc cao Việc sản xuất loại dầu thiết yếu Arabidopsis thaliana cho thấy thực vật chuyển gen trở thành nguồn cung cấp acid béo quan trọng dùng ăn uống mà thường nhận từ cá Người ta áp dụng thành công kỹ thuật gen Arabidopsis thaliana để tạo acid béo thiết yếu khác arachidonic acid eiconsapentaenoic acid 3.3 Tạo động vật chuyển gen nhờ virut a Vectơ chuyển gen vào tế bào động vật nhờ vi sinh vật Vectơ retrovirus cấu trúc ADN nhân tạo có nguồn gốc từ retrovirus, sử dụng đểxen ADN ngoại lai vào nhiễm sắc thể vật chủ Yếu tố chìa khóa việc sử dụng retrovirus làm thể truyền phân phối gen an toàn sinh học (biosafety) Mục đích thiết kế vector bảo đảm tạo virus không khả tái (replication incompetent virus) tế bào chủ Vector retrovirus cần thiết cho liệu pháp gen, sử dụng có hiệu nhiều liệu pháp gen chữa bệnh cho người suy giảm miễn dịch thiếu hụt enzyme ADA, ung thư, tiểu đường, thiếu máu, Các vector retrovirus khác thiết kế để tạo động vật chuyển gen gà chuyển gen đặc biệt sử dụng để chuyển gen vào noãn bào bò khỉ Vector adenovirus vector chuyển gen tạo từ adenovirus tái tổ hợp Vector virus không hợp vào nhiễm sắc thể tế bào tồn episome nhân Adenovirus vector chuyển gen an toàn, xâm nhiễm cách hiệu vào tế bào không phân chia tế bào phân chia nhiều loại tế bào khác loại tế bào đích chứa thụ quan phù hợp với adenovirus Khi xâm nhiễm vào tế bào chủ, phần lõi mang genome virus gen ngoại lai qua lỗ màng nhân Trong nhân tế bào chủ, gen adenovirus gen ngoại lai phiên mã dịch mã tế bào chất để tạo nên loại protein cần thiết cho virus protein mong muốn gen ngoại lai mã hóa Adenoviruc người hệ thứ sử dụng rộng rãi làm véc tơ chuyển gen invivo Các vector dược sử dụng để chuyển gen người in vivo vào tế bào mũi, tế bào phổi, tế bào thận, tim, gan, hệ thần kinh trung ương Vector episom vector sử dụng plasmit, cosmis, phage, BAC YAC Không có loại vector sử dụng sinh vật nhân thực bậc cao yếu tố chúng không hoạt động tế bào động vật Các vector sử dụng chủ yếu để xây dựng ADN tạo ADN tái tổ hợp để nghiên cứu chuyển gen vào tế bào động vật b Các bước tiến hành tạo động vật chuyển gen - Tách chiết, phân lập gen mong muốn tạo tổ hợp gen biểu tế bào động vật - Tạo sở vật liệu biến nạp gen: Ở động vật có vú giai đoạn biến nạp gen thích hợp giai đoạn trứng giai đoạn tiền nhân, giai đoạn mà nhân tinh trùng nhân trứng chưa dung hợp với nhau, giai đoạn này, tổ hợp gen lạ có hội xâm nhập vào hệ gen động vật nhờ tổ hợp ADN tinh trùng trứng Vì để tạo sở cho vật liệu biến nạp gen, người ta kích thích để trứng rụng hàng loạt sau cho thụ tinh nhân tạo để tạo trứng tiền nhân - Chuyển gen vào động vật nhiều phương pháp khác - Nuôi cấy phôi ống nghiệm (đối với động vật bậc cao) - Kiểm tra động vật sinh từ phôi chuyển gen - Tạo nguồn động vật chuyển gen cách liên tục Sau thấy gen ngoại lai di truyền ổn định, tiến hành lai tạo chọn lọc để tạo dòng động vật chuyển gen c Những hướng nghiên cứu tạo động vật chuyển gen ứng dụng - Taọ động vật có tốc độ lớn nhanh, hiệu sử dụng thức ăn cao: Trong hướng này, người ta tập trung chủ yếu vào việc đưa tổ hợp bao gồm gen cấutrúc hormone sinh trưởng promoter methallothionein vào động vật Cho đếnnay người ta đưa thành công gen vào thỏ, lợn cừu Kết độngvật chuyển gen không to lên chuột Tuy nhiên Ðức, trường hợp ởlợn chuyển gen hormone sinh trưởng lượng mỡ giảm đáng kể (giảm từ 28,55mmxuống 0,7mm) hiệu sử dụng thức ăn cao Ở Australia, lợn chuyển genhormone sinh trưởng có tốc độ lớn nhanh đối chứng 17%, hiệu suất sử dụngthức ăn cao 30% Tuy nhiên động vật nuôi chuyển gen hormone sinh trưởng cóbiểu bệnh lý lớn cỡ chưa có ý nghĩa lớn thực tiễn Các nhà khoa họcở Granada (Houston, Texas) tạo bò chuyển gen tiếp nhận estrogen người(human estrogen receptor) có tốc độ lớn nhanh Các nhà khoa học thành côngtrong việc đưa gen hormone sinh trưởng giống insulin bò (bovine insulin like growthhormone) vào gia súc để tạo giống gia súc thịt không dính mỡ Hãng Granada chi20 triệu USD để áp dụng kỹ thuật vào lợn, cừu, dê gà để tạo vật nuôi có hiệuquả chuyển hóa thức ăn thành thịt, sữa cao - Tạo động vật chuyên sản xuất protein quý dùng y dược: Hiện có protein sản xuất đường α1-antitripsin người chất hoạt hoá plasminogen mô người Chất đầu sản xuất qua sữa cừu với nồng độ35g/l, chất sau sản xuất qua sữa dê Hãng Genetech (Mỹ) hàng năm thu 196,4 triệu USD từ sản phẩm chất hoạt hoá plasminogen mô với giá 2,2 USD/liều Hormone sinh trưởng người sản phẩm kỹ thuật gen vi sinh vật tổng hợp với mức thu hàng năm 122,7 triệu USD Hiện nhà khoa học Mỹ muốn giảm giá thành sản phẩm cách sản xuất qua sữa thỏ Người ta dự đoán giá thành sản xuấthormone qua sữa thỏ 1/3 giá thành sản xuất nhờ vi sinh Lý chu kỳ sinh sản thỏ ngắn lượng protein sữa thỏ lại cao Trong năm lượng protein sữa thỏ bò Hiện chuột chuyển gen hormone sinh trưởng tiết protein với nồng độ 0,5g/l Tập đoàn Genzyme Transgenic (Mỹ) sản xuất nhiều loại protein quý từ sữa chuột dê chuyển gen - Tạo động vật chống chịu bệnh tật thay đổi điều kiện môi trường: Ðến người ta biết số gen có khả kháng bệnh chống chịu thay đổi điều kiện môi trường vật nuôi Tiêm gen Mx vào lợn để tạo giống lợn miễn dịch với bệnh cúm Người ta thành công việc tiêm gen IgA vào lợn, cừu, mở khả tạo giống vật nuôi miễn dịch với nhiều bệnh Ở cá, người ta chuyển gen chống lạnh AFP (antifreeze protein) tạo giống cá có khả bảo vệ thể chống lại lạnh giá (cá hồi, cá vàng ) Cá chuyển gen AFP có khả chịu lạnh tốt cá đối chứng nuôi chúng môi trường có nhiệt độ thấp Kết mở rộng khả sống loài cá nuôi vào mùa đông Ðây thuận lợi lớn cho việc nuôi trồng nguồn thuỷ sản quan trọng - Nâng cao suất, chất lượng động vật cách thay đổi đường chuyển hóa thể động vật: Trong hướng bật nghiên cứu nâng cao chất lượng sữa bò, sữa cừu cách chuyển gen lactose vào đối tượng quan tâm Sự biểu gen điều khiển promoter tuyến sữa Trong sữa động vật chuyển gen này, đường lactose bị thủy phân thành đường galactose đường glucose Do người không quen uống sữa sử dụng sữa mà không cần trình lên men Mới đây, nhà khoa học (Brigid Brophy, 2003) chuyển thêm gen mã hoá ß-casein (CSN2) kappa-casein (CSN3) bò vào nguyên bào sợi bò tạo bò chuyển gen cho sữa có mức ß-casein kappa-casein cao bình thường: hàm lượng ß-casein tăng lên 8-20%, hàm lượng kappa-casein tăng gấp lần tỉ lệ kappacasein so với casein tổng số thay đổi cách đáng kể Hai loại casein protein chủ yếu sữa thành phần sữa đông, chìa khoá sản xuất phó-mát sữa chua Các protein quan trọng, chúng làm cho sữa có hàm lượng protein cao chứa nhiều nước - Tạo vật nuôi chuyển gen cung cấp nội quan cấy ghép cho người: Các nhà khoa học sử dụng loài để thử nghiệm làm nguồn quan cung cấp cho người Đầu tiên Linh trưởng, bao gồm hắc tinh tinh cho thích hợp Nhưng sau nhận thấy lựa chọn tốt quan Linhtrưởng bị loại thải sau cấy ghép Vì nhà khoa học cho Lợn loài tốt sử dụng để cung cấp nội quan cho người lợn có quan hệ gần gũi với người, ăn tạp quan có kích thước tương tự với người Người ta cho việc ghép mô khác loài đưa giải pháp thời giúp cho bệnh nhân sống có quan người để thay Trong trường hợp đặc biệt, tế bào lợn tồn không dài ngày sau ghép cho bệnh nhân sử dụng tuần hoàn máu nhân tạo Các tế bào gan lợn sử dụng để ghép cho bệnh nhân bị viêm gan cấp tính Các tế bào gan trì lò phản ứng nhân tạo (extracorporeal reactor) chúng giải độc cho máu người tuần hoàn lò phản ứng Các tế bào lợn hoạt động chức dài chúng lấy từ lợn chuyển gen kháng với thể bổ sung người - Tạo động vật chuyển gen làm mô hình nghiên cứu bệnh người 3.4 Tạo vacxin nhờ công nghệ gen Có hướng công nghệADN ứng dụng để phát triển vacxin virut sống mới: Ứng dụng thứ tạo biến đổi đặc hiệu xoá bỏở gen virut, điều làm cho virut giảm độc lực cách vững bền Như vậy, chúng khả quay trở lại độc lực Đây hướng tạo vacxin H5N1 Viện Vệ sinh dịch tễ Trung Ương (Hà Nội) Ứng dụng thứ hai công nghệ ADNcho việc phát triển vacxin sống làm cho virut trở thành vecto Polypeptit “ngoại lai” hay Epitop peptit từ tác nhân gây bệnh khác người Mục đích tạo vecto để giới thiệu Polypeptit hay peptit ngoại lai cho hệ thống miễn dịch, khuôn khổ virut sống, làm saocho hệ thống miễn dịch đáp ứng với Polypeptit ngoại lai kháng nguyên miễn dịch “sống” Như phát triển miễn dịch rộng rãi (dịch thể, tế bàohay hai) Là phần virut sống, Polypeptit ngoại lai biểu thị bên trongbào tương tế bào bị nhiễm, làm gẫy thành đoạn peptit, chuyển vận tới bề mặt tế bào Từ đó, chúng kích thích đáp ứng tế bào Limpho T độc với tế bào Vecto virut mẫu thường dùng rộng rãi việc tạo vacxin sống virut đậu mùa Để làm cho virut trở thành vecto, phải tạo plasmid có chứa gen cho polypeptit ngoại lai, với trình tự nối tiếp hướng biểu thị vào tế bào, kết hợp gọi “một cát xét biểu thị” Virut Vaccinia cát xét biểu thị đưa vào nuôi tế bào, tế bào tiếp nhận hai lúc vào bào tương Ở xảy trình tái tổ hợp, sản xuất virut Vaccinia tái tổ hợp biểu thị Polypeptit ngoại lai IV CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG VI SINH VẬT Câu 1: Một số loại thực phẩm sản phẩm lên men vi sinh vật loại nào? Bản chất vi sinh vật tham gia? Gợi ý trả lời: Có nhiều loại thực phẩm tạo từ lên men: Phomat, sữa chua, dưa chuột muối, bánh mì, thịt lên men, loại nấm ăn dưa bắp cải Đa số sản phẩm sản phẩm vi khuẩn lactic Bánh mì sản phẩm trình lên men nấm men, loại nấm ăn nấm Câu 2: Vi sinh vật sử dụng sản xuất: (a) thịt lên men, (b) bắp cải muối, (c) dưa chuột muối, (d) hạt cà phê, (e) socola, (f) oliu (g) nước chấm Gợi ý trả lời: a Thịt lên men xúc xích mùa hè Lebanon sản phẩm lên men lactic b Các vi khuẩn lactic tự nhiên tồn thành khu hệ bắp cải việc đặt bắp cải thái lát vào điều kiện kị khí bình kích thích sinh trưởng vi sinh vật Muối thêm vào để hạn chế sinh trưởng vi khuẩn gram âm c Dưa chuột muối sản phẩm lên men lactic trường hợp nồng độ muối cao thêm vào để chiết đường khỏi dưa chuột vi khuẩn lactic sinh trưởng d Lớp vỏ bao quanh hạt cà phê loại bỏ vi khuẩn phân giải pectin e Socola sản xuất nhờ lên men rượu có liên quan tới nấm men sau xảy lên men axetic Các trình lên men tạo hương vị cho sản phẩm socola f Oliu sau thu hoạch trước hết xử lí dung dịch kiềm để loại ancaloit có vị đắng sau oliu lên men bình gỗ sồi nhờ trình lên men lactic g Nước chấm sản phẩm sinh trưởng nấm lên men lactic tham gia nấm men Câu 3:Vi sinh vật có ứng dụng đời sống vai trò chúng công nghệ sinh học nào? Gợi ý trả lời: Vi sinh vật có nhiều ứng dụng đời sống Ngay từ xa xưa, chưa có khái niệm vi sinh vật, người biết tận dụng hoạt động chúng để phục vụ cho lợi ích Họ biết cách làm rượu vang, phomat, ủ chua thức ăn…Cứ ngày họ lại tìm tiện ích vi sinh vật mang lại Danh sách sản phẩm vi sinh vật tạo lúc dài Ngày nay, công nghệ sinh học vi sinh coi ngành mũi nhọn công nghệ sinh học, có tác dụng to lớn đến đời sống người việc tìm hàng loạt sản phẩm hệ có chất lượng cao hơn, giá thành rẻ bia, axit hữu cơ, axit amin, dung môi hữu cơ, vitamin, kháng sinh, vacxin… Công nghệ sinh học vi sinh vật dùng xử lí ô nhiễm môi trường, phục hồi đất đai bị ô nhiễm, xử lí chất thải rắn, nước thải… Tính ưu việt công nghệ vi sinh tạo sản phẩm mong muốn thùng lên men, mà không phụ thuộc vào đất đai, mùa vụ, thời tiết trồng, vật nuôi Vi sinh vật đối tượng chuyển gen lí tưởng mà giá trị công cụ tạo sản phẩm khác nhau, gen thể mã hóa cho phân tử biểu tế bào vi sinh vật Chỉ cần tiến hành lên men thu sản phẩm chất lượng cao giá thành hạ Vi sinh vật sử dụng làm công cụ chuẩn đoán phục vụ cho công việc chữa bệnh, công cụ liệu pháp gen, mang gen lành thay cho gen hư hỏng để chữa bệnh di truyền Hơn lúc hết công nghệ sinh học vi sinh thời kì phát triển rực rỡ có nhiều thành tựu phục vụ cho lợi ích người Câu 4:Các vi nấm dùng để sản xuất chế phẩm diệt côn trùng gây hại? Gợi ý trả lời: Có nhiều nấm sợi dùng để diệt côn trùng, điển hình nấm Metarhizium Bauveria Câu 5:Các vi khuẩn dùng để sản xuất chế phẩm diệt côn trùng? Gợi ý trả lời: Vi khuẩn dùng để diệt côn trùng điển hình bacillus thuringiensis có bào tử tinh thể độc Câu 6:Có thể dùng vi sinh vật đối kháng để tạo chế phẩm chống bệnh cho cây? Gợi ý trả lời: Có nhiều vi sinh vật dùng để sản xuất chế phẩm chống bệnh cho Ví dụ: nhiều loại xạ khuẩn sinh chất kháng sinh chống nấm bệnh, nấm sợi Trichoderma chống nhiều loại nấm bệnh Vi khuẩn Pseudomonas fluorescens có khả diệt vi khuẩn gây bệnh héo xanh… Câu 7: Trong kỹ thuật di truyền, việc lựa chọn vectơ plasmit cần quan tâm đến đặc điểm nào? Gợi ý trả lời: - Plasmit có kích thước ngắn - Có gen chuẩn (gen đánh dấu) - Có điểm cắt enzym giới hạn - Có thể nhân lên nhiều tế bào nhận - Có thể đảm bảo biểu di truyền nhờ cung cấp yếu tố cần thiết promotơ… Câu 8: Plasmit gì? Để dùng làm thể truyền (vector) cần phải biến đổi plasmit ? Gợi ý trả lời: - Plasmit phân tử ADN, vòng, sợi kép, tự tái bản, trì vi khuẩn thực thể độc lập nhiễm sắc thể - Một số plasmit mang thông tin việc di chuyển từ tế bào sang tế bào khác khác (F plasmit), số khác mã hóa khả kháng lại kháng sinh (R plasmit), số khác mang gen đặc biệt để sử dụng chất chuyển hóa bất thường (plasmit phân huỷ) - Để dùng làm vector plasmit cần phải có: + Vùng nhân dòng đa vị chứa điểm cắt cho endonucleaza giới hạn, dùng để chèn ADN nhân dòng + Plasmit chứa gen để chọn (như gen kháng ampicillin, ) + Điểm khởi động chép hoạt động E coli + Promotơ yếu tố cần thiết để gen chèn vào biểu tế bào nhận Câu 9: Trong kĩ thuật cấy gen, cho biết: - Thể truyền gì? Vì thể thực khuẩn xem loại thể truyền lý tưởng? - Thế ADN tái tổ hợp? Nêu tóm tắt bước tạo ADN tái tổ hợp Gợi ý trả lời: Trong kỹ thuật cấy gen - Thể truyền phân tử ADN nhỏ có khả tự nhân đôi cách độc lập với hệ gen tế bào Thể truyền plasmit virut Thể thực khuẩn xem loại thể truyền lý tưởng thoả mãn tiêu chuẩn thể truyền có khả biến nạp vào tế bào nhận - ADN tái tổ hợp phân tử ADN nhỏ lắp rap từ đoạn ADN lấy từ tế bào khác (thể truyền gen cần chuyển) Các bước tạo ADN tái tổ hợp: Tách chiết tinh ADN nguồn khác nhau; Cắt nối Câu 10: Trước người ta hay chuyển gen người vào tế bào vi khuẩn để sản sinh protein định người với số lượng lớn Tuy nhiên, nhà sinh học phân tử lại ưa dùng tế bào nấm men làm tế bào để chuyển gen người vào dùng tế bào vi khuẩn Giải thích sao? Gợi ý trả lời: Vì tế bào nấm men tế bào nhân chuẩn nên có enzym để loại bỏ intron khỏi ARN trình tinh chế để tạo mARN, tế bào nhân sơ vi khuẩn chúng gen phân mảnh nên enzim cắt intron Câu 11: Trong công nghệ gen, người ta sản xuất prôtêin đơn giản động vật có vú nhờ vi khuẩn, chẳng hạn E coli Trên sở đặc điểm khác cấu trúc gen sinh vật nhân sơ nhân thực, nêu cải biến cần thực gen cấy, để tế bào vi khuẩn sản xuất prôtêin động vật có vú Gợi ý trả lời: + Cấu trúc gen sinh vật nhân thực khác sinh vật nhân sơ chỗ: - Có chứa intron - Trình tự ADN khởi đầu phiên mã - Trình tự kết thúc phiên mã - Trình tự tín hiệu khởi đầu dịch mã + Vì vậy, để tế bào vi khuẩn sản xuất protein động vật có vú, gen động vật có vú trước cấy vào E coli thường - Được dùng dạng cADN (không chứa intron) - Cải tiến phần trình tự khởi đầu phiên mã - Cải tiến phần trình tự kết thúc phiên mã - cải tiến phần trình tự khởi đầu dịch mã Câu 12: Giải thích sap plasmit xem dạng thể truyền lí tưởng kĩ thuật di truyền? Gợi ý trả lời: - Kích thước nhỏ giúp cho việc phân lập tách chiết dễ dàng Mặt khác giúp cho việc xâm nhập vào tế bào dễ thực qua đường biến nạp - Có khả nhân đôi độc lập với ADN nhân, tạo nhiều gen cấy tế bào - Có thể chuyển cho tế bào khác quần thể qua cầu tiếp hợp - Thường có gen quy định tính chống chịu trước điều kiện bất lợi môi trường thuận lợi cho khâu phân lập dòng tế bào môi trường chọn lọc - Xâm nhập vào tế bào vi khuẩn (xâm nhập tính chọn lọc) C KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Trên hệ thống số kiến thức lí thuyết câu hỏi liên quan đến ứng dụng vi sinh vật ứng dụng vi sinh vật công nghệ gen Kiến thức thường dùng để giảng dạy cho học sinh đem lại hiệu định Tuy nhiên trình viết chuyên đề khó tránh thiếu sót, mong góp ý chia sẻ bạn đồng nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo khoa Sinh học lớp 12 ban Khoa học tự nhiên- Nhà xuất Giáo dục năm 1997 Bồi dưỡng học sinh giỏi trung học phổ thông – Lý thuyết tập vi sinh vật học – Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Tài liệu giáo khoa chuyên sâu – phần vi sinh vật học – Nhà xuất Giáo dục Sách giáo khoa Sinh học lớp 12 nâng cao sách giáo khoa Sinh học lớp 12 - Nhà xuất Giáo dục năm 2008 ”Di truyền học” Phạm Thành Hổ - Nhà xuất Giáo dục năm 2002 Giáo trình ”Vi sinh vật học” PGS TS Kiều Hữu Ảnh Các đề thi đại học từ năm 2000 đến năm 2014 Các đề thi chọn học sinh giỏi cấp tỉnh cấp quốc gia từ năm 2000 đến 2014 Tạp chí kĩ thuật công nghệ vi sinh sinh hóa [...]... mạng Công nghệ gen là quy trình tạo ra những tế bào hoặc vi sinh vật có gen bị biến đổi hoặc có thêm gen mới Công nghệ gen đã khởi đầu cho một cuộc cách mạng trong công nghệ sinh học và trong công nghệ gen thì kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp đề chuyển gen từ tế bào này sang tế bào khác đóng vai trò trung tâm của công nghệ gen Kỹ thuật chuyển gen, ghép gen là kỹ thuật đưa một gen lạ (một đoạn ADN, ARN) vào... phải là cồn 96 % như hiện nay + Ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong sản xuất khí đốt biogas: Hướng này là vi c ứng dụng vi sinh vật để lên men yếm khí các chất hữu cơ thành khí đốt (chủ yếu là dùng chất thải của vật nuôi) Nó vừa bổ sung cho nguồn năng lượng là khí đốt, vừa có tác dụng góp phần bảo vệ môi trường Ngoài ra, công nghệ vi sinh vật còn được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất các chất tăng... nghệ vi sinh vật để sản xuất kháng sinh cho con người và vật nuôi: Kháng sinh chế từ vi sinh vật dùng để chữa bệnh cho con người được người ta sản xuất từ lâu Từ những loại thuốc kháng sinh được sản xuất từ lâu mà nay vẫn dùng như: steptomycine, penicyline… đến nay con người đã tìm thấy khoảng 2.500 loại thuốc kháng sinh, trong đó phần lớn có nguồn gốc từ vi sinh vật - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật. .. sản phẩm của gen tái tổ hợp 3 Ứng dụng của vi sinh vật trong công ngệ gen 3.1 Tạo dòng vi sinh vật biến đổi gen E coli, Saccharomyces cerevisiae là những đối tượng đầu tiên được sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra các chủng sản xuất các r-protein người, tiếp đó là nhiều vi sinh vật khác Sau đây là vài ví dụ cụ thể a Thiết kế trao đổi chất (Metabolic Design) Công nghệ gen đã can thiệp vào quá trình... 3.3 Tạo động vật chuyển gen nhờ virut a Vectơ chuyển gen vào tế bào động vật nhờ vi sinh vật Vectơ retrovirus là cấu trúc ADN nhân tạo có nguồn gốc từ retrovirus, được sử dụng đểxen ADN ngoại lai vào nhiễm sắc thể của vật chủ Yếu tố chìa khóa trong vi c sử dụng retrovirus làm thể truyền phân phối gen là sự an toàn sinh học (biosafety) Mục đích chính của thiết kế vector là bảo đảm tạo ra một virus không... ADN ngoại lai được đưa vào tế bào thực vật và tồn tại bền vững trong hệ gen (genome) Các vi khuẩn đất A tumefaciens và một số loài họ hàng của chúng có khả năng chuyển một phần nhỏ ADN vào tế bào thực vật và qua đó kích thích tạo khối u (callus) Những khối u này là không gian sống của vi khuẩn Khả năng chuyển ADN của A.tumefaciens được ứng dụng trong công nghệ gen hiện đại Vi c sử dụng A tumefaciens bắt... hợp với adenovirus Khi xâm nhiễm vào tế bào chủ, phần lõi mang genome virus và gen ngoại lai đi qua lỗ màng nhân Trong nhân tế bào chủ, các gen của adenovirus và gen ngoại lai sẽ phiên mã và dịch mã trong tế bào chất để tạo nên các loại protein cần thiết cho virus và protein mong muốn do gen ngoại lai mã hóa Adenoviruc người thế hệ thứ nhất đã được sử dụng rộng rãi làm véc tơ chuyển gen invivo Các vector... Human Growth Hormone), là chất có trong tuyến yên của người, giúp cho con người tăng trưởng chiều cao; sản xuất Insulin, là protein có tác dụng điều hoà lượng đường trong máu người; sản xuất Interferon, là một protein có tác dụng giúp cơ thể người chống lại nhiều loại bệnh… III ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG CÔNG NGHỆ GEN 1 Khái niệm công nghệ gen Đầu thập niên 1970, công nghệ sinh học đã chuyển sang một giai... như: amino acid, vitamin, các chất màu thực phẩm, keo thực phẩm; sản xuất các dung môi hữu cơ như: ethanol, acetone…; sản xuất các acid hữu cơ như: acid lactic, acid citric… 2.5 Một số hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong y tế - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật để sản xuất vaccine cho con người: Một phần lớn các vaccine phòng bệnh cho con người có nguồn gốc từ vi sinh vật Vaccine được... động vật chuyển gen một cách liên tục Sau khi thấy gen ngoại lai đã được di truyền ổn định, tiến hành lai tạo và chọn lọc để tạo dòng động vật chuyển gen c Những hướng nghiên cứu tạo động vật chuyển gen và ứng dụng - Taọ ra những động vật có tốc độ lớn nhanh, hiệu quả sử dụng thức ăn cao: Trong hướng này, người ta tập trung chủ yếu vào vi c đưa tổ hợp bao gồm gen cấutrúc của hormone sinh trưởng và promoter ... công nghệ gen, lựa chọn thực vi t chuyên đề: Ứng dụng vi sinh vật ứng dụng vi sinh vật công nghệ gen II Mục đích đề tài - Hệ thống lại kiến thức lý thuyết vi sinh vật, đặc điểm chung vi sinh vật. .. sinh vật phân huỷ xăng dầu, kim loại nặng… 2.4 Một số hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh vật công nghiệp - Ứng dụng công nghệ vi sinh vật chế biến thực phẩm: Vi c ứng dụng vi sinh vật. .. nghìn loài vi khuẩn, 1,2 nghìn loài virut ricketxi II ỨNG DỤNG VI SINH VẬT- CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH VẬT Khái niệm công nghệ sinh học vi sinh vật Công nghệ sinh học (Biotechnology) thuật ngữ