Sinh học - Chương V: Công nghệ sinh học vi sinh & môi trường

CHƢƠNG V. CÔNG NGHỆ SINH HỌC VI SINH & MÔI TRƢỜNG Khái niệm về CNSH vi sinh • CNSH vi sinh hay vi sinh vật học công nghiệp bao gồm sự sử dụng các vi sinh vật trong việc sản xuất thựuc phẩm hay các sản phẩmcông nghiệp. Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 3 KHÁI NiỆM CNSHSHMT Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 4 ĐỊNH NGHĨA Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 5 Eubacteria (Bacteria) Archaebacteria (Archaea) Eukaryota (Eukaryotes) Vi sinh vật thuộc 3 nhóm Vi khuẩn (Eubacteria) • Là các prokaryote Gram-negative và gram-positive • có thể dạng tự dưỡng (autotrophs) hoặc dị dưỡng (heterotrophs) • Có thể sống hiếu khí hoặc yếm khí (aerobic or anaerobic) • Ví dụ: E. coli Lactobacillus Agrobacterium Staphylococcus Vi khuẩn cổ (Archea) • Thuộc nhóm cổ xưa nhưng mới được phát hiện gần đây • Qua phân tích DNA: khác đáng kể so với vi khuẩn thật • Tìm thấy ở những khu vực sinh thái có điều kiện sống khắc nghiệt (Extremophiles) Thermophiles 50- 110°C Psychrophiles 0- 20°C Alkaliphiles pH>9 Halophiles 3- 20% salt Methanogens use H2 + CO2 to produce CH4 Eukaryotes Chủ yếu là nhóm nấm men, nấm mốc, sinh vật nguyên sinh, tảo (yeasts/molds, protists, algae) Các tế bào có dạng túi, hình thành nên các bào tử giới tính Ví dụ: Sacchromyces Penicillium Aspergillus Pichia • Sản xuất các sản phẩm • Chuyển hóa sinh học/ xúc tác sinh học (Bioconversion/Biocatalysis) •Nông nghiệp •Xử lý ô nhiễm Các ứng dụng thƣơng mại của vi sinh vật Lên men (Fermentation) là một quá trình sản xuất các sản phẩm hữu ích thông qua nuôi cấy sinh khối các tế bào đơn Sản phẩm cuối cùng hoặc các sản phẩm trung gian (các chất trao đổi) đƣợc thu hồi và tính sạch cho các mục đích sử dụng thƣơng mại stirred tank reactor Fermenter or Bioreactor 15 000L Fermenter 1000L Disposable Bag •Amino Acids •Vitamins •Food Additives •Enzymes •Recombinant Protein Drugs •Antibiotics •Fuels •Plastics Loại các sản phẩm được sản xuất từ vi sinh vật Enzyme: chymosin - the enzyme used to curdle milk products Hormone: bST - bovine somatotropin; used to increase milk production Các ví dụ về các protein biểu hiện ở vi khuẩn 1928: Alexander Fleming discovered the first antibiotic. He observed that Penicillium fungus made an antibiotic, penicillin, that killed S. aureus. 1940s: Penicillin was tested clinically and mass produced. Original Penicillium moulds produced less than 10 units of penicillin per ml of fermentation broth (1943) By 1955 Penicillium strains produced 8000 units/ml Mutation with UV, mustard gas, and X-Ray, strain selection / culture improvement Is this GMO? Ví dụ • Chọn lọc nhân tạo (Artifical Selection) • DNA tái tổ hợp (Recombiant DNA) • Cải biến các quá trình đồng hóa (Metabolic Engineering) Các vi sinh vật đƣợc biến đổi nhƣ thế nào? Recombinant DNA Microbes Vi sinh vật biến đổi gen được tạo ra khi cDNAs mã hóa cho các sản phẩm protein được nhân dòng vào các vector biểu Gen người được nhân dòng trong vi khuẩn E. coli Gen từ nhóm extremophile được chuyển đến nhóm mesophiles Do sự dễ dàng trong việc nuôi của mesophiles Mesophiles cũng có mức tăng trưởng 5 đến 10 lần cao hơn Enzyme/Drug Metabolic Engineering, Metabolically Engineered Cell Cheap Carbon Source Industrial Chemicals Chemical Precursors Biopolymer sVitaminsAmino Acids Biến đổi quá trình đồng hóa, biến đổi các con đƣờng chuyển hóa ở trong sinh vật để tối ƣu sự sản xuất một hợp chất Thực hiện bằng cách tắt các gen đặc biệt, hoặc là thông qua đột biến hoặc loại bỏ gen Sản phẩm cũng đã đạt đƣợc bằng cách thay đổi môi trƣờng của vi khuẩn Glucose NH4 + Pyruvate L-lactate D-Alanine L-Alanine100%L-Alanine NAD+ NADH NADH NAD+ L-LDH AlaOH NADH NAD+ Racemase The microbe is forced to produce alanine at higher than normal amounts Carotenoid production in E.coli cells CÁC SẢN PHẨM LÊN MEN Enzymes Enzymes 1 2004 data Enzym, sản phẩm phổ biến nhất đƣợc sản xuất bởi vi khuẩn Tổng giá trị của các enzyme công nghiệp là khoảng $ 2,0 billion Chúng đƣợc tìm thấy trong nhiều đồ gia dụng mà bạn không bao giờ nghĩ rằng chúng có một thành phần công nghệ sinh học Enzyme Name GE Organism Use (examples) -acetolactate bacteria Removes bitter substances decarboxylase from beer  -amylase bacteria Converts starch to simple sugar Catalase fungi Reduces food deterioration Chymosin bacteria or fungi Clots casein to make cheese -glucanase bacteria Improves beer filtration Glucose isomerase bacteria Converts glucose to fructose Glucose oxidase fungi Reduces food deterioration Lipase fungi Oil and fat modification Maltogenic amylase bacteria Slows staling of breads Pectinesterase fungi Improves fruit juice clarity Protease bacteria Improves bread dough structure xylanase (hemicellulase) bacteria or fungi Enhances rising of bread dough Detergent Enzymes Chất tẩy rửa là những ứng dụng lớn nhất của các enzym công nghiệp Theo truyền thống, đây là những lipolases, proteases & amylases Một sự đổi mới gần đây là sự bổ sung của mannanase Enzim này hỗ trợ việc loại bỏ vết bẩn kẹo cao su có chứa guar Các men này đƣợc thiết kế để cải thiện sự ổn định trong sự hiện diện của chất tẩy rửa, pH kiềm, và nƣớc lạnh Subtilisin, một protease đƣợc sử dụng trong bột giặt Các protein tái tổ hợp đƣợc thiết kế để vẫn hoạt động với sự hiện diện của thuốc tẩy Thuốc tẩy gây ra sự oxy hóa acid amin một (methionine) và các enzyme bị mất 90% hoạt động của nó Bằng cách thay thế loại axít amin này với alanine, các enzyme thiết kế đã không còn nhạy cảm với sự oxy hóa Directed evolution is the most recent tool utilized in the creation of new and better enzymes (& other proteins) doi:10.1016/S1367-5931(02)00396-4 Subtilisin chức năng bình thƣờng trong dung dịch nƣớc Đột biến đã đƣợc giới thiện ngẫu nhiên trên toàn cấu trúc của enzyme Chỉ 0,1-1% của các đột biến đƣợc lợi, nhƣng ... Hoạt động trong 60 dimethylformamide% đã đƣợc cải thiện 256-gấp Enzymes dùng làm thực phẩm/ thức ăn gia súc Các enzyme đƣợc dùng trong thức ăn động vật phân hủy cellulose (cellulase) Sử dụng các enzyme (phytases) có khả năng phân hủy phytic acid Điều này cho phép sử dụng tốt hơn phốt pho trong thực vật Cho phép bột xƣơng để đƣợc loại bỏ từ nguồn thức ăn cung cấp Thế hệ mới nhất của phytases đƣợc từ nấm và đã đƣợc thiết kế để tồn tại nhiệt độ cao sử dụng trong chế biến thực phẩm 65% gia cầm và 10% thức ăn của lợn có chứa enzym này + Từ tự nhiên ( quan trọng nhất) + con ngƣời tự thiết kế Các nguồn gen hữu ích đƣợc lấy từ đâu? Các dược phẩm tái tổ hợp (Recombinant Drugs) Các kháng sinh thu nhận từ vi sinh vật Các dược phẩm trị liệu có thể đuwocj sản xuất bằng cách đưa các gen của người vào vi sinh vật Năm 1982, FDA chấp thuận thuốc protein tái tổ hợp đầu tiên, insulin của ngƣời đƣợc sản xuất bởi E. coli phát triển bởi Genentech Ngày nay có> 75 loại thuốc protein tái tổ hợp chấp thuận của FDA với 100 sản phẩm mới đang đƣợc nghiên cứu Hiện nay thị trƣờng toàn cầu đối với thuốc protein tái tổ hợp là $ 47,4 billion (2006) Product Microbe Purpose Insulin E. coli Diabetes treatment Interleukin-2 E. coli Cancer/immune system stimulant EGF E. coli wound healing Interferons E. coli/yeast Cancer/virus treatments Prourokinase E.coli/yeast Anticoagulant/heart attacks CSF E. coli/yeast Immune stimulant Taxol E. coli ovarian cancer Các sản phẩm khác từ vi sinh vật Fuels, Plastics, Medications Sản xuất Ethanol -Sản xuất nhờ lên men yếm khí bằng nấm men -Tinh bột ngô đƣợc thủy phân thành glucose monomers Ethanol chứa 76000BTU/gal Cần ~ 98000BTU/gal để sản xuất từ đƣờng ngô Xăng chứa 112000BTU/gal Chi phí 22000BTU/gal để trích xuất và tinh chế Một BTU (đơn vị nhiệt Anh) đƣợc định nghĩa là lƣợng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một pound nƣớc lên một độ Fahrenheit 2004 3400000000 gallon ethanol đƣợc sản xuất Mỹ tiêu thụ 140.000.000.000 gallon xăng / năm Vấn đề với Ethanol từ Ngô Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 39 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 40 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 41 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 42 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 43 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 44 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 45 Plastics Polyhydroxyalkanoate (PHA) là một polymer của một số vi khuẩn như một cách để lưu trữ carbon Lên đến 80% sinh khối của vi khuẩn là nhựa PHA được bán để làm cho chai dầu gội đầu ở Đức, và dao cạo dùng một lần tại Nhật Bản Các vi khuẩn Pseudomonas putida chuyển đổi styrene thành PHA Bioconversion Sử dụng vi khuẩn để biến đổi một hợp chất Hữu ích khi nhiều bƣớc tổng hợp hóa học là tốn kém hoặc không hiệu quả Thƣờng chuyển đổi vi sinh vật là kết hợp với hóa học truyền thống để giảm các bƣớc cần thiết Việc sử dụng phổ biến nhất của bioconversion là trong tổng hợp steroid nhƣ hormone & corticosteroids starting product End products Vi sinh vật và nông nghiệp Microbial Pesticides Bacillus thuringiensis (Bt) là một loại vi khuẩn hiếu khí hình thành bào tử Trong quá trình hình thành bào tử sản xuất protein tinh thể có tác dụng diệt côn trùng (ICP) là một chất độc (Cry) Các độc tố nhanh chóng phân hủy trong môi trƣờng Chúng không có độc tính đối với con ngƣời Cry độc tố khác nhau về độc tính và đặc trƣng của họ Vi khuẩn hỗ trợ khai thác mỏ đã được sử dụng hàng nghìn năm nay Những người thợ mỏ đồng đã sử dụng vi khuẩn để lọc lấy đồng từ quặng mà không biết Mỏ và chất thải quặng mỏ được khai thác sinh học Sunphide của kim loại như kẽm, đồng, niken, coban, sắt, vonfram, chì không thể hòa tan trong nước Các sulfua được chuyển đổi để sulfate được hòa tan Các sulfat được lọc ra khỏi quặng và sau đó được chiết xuất Biomining Cu2S not soluble CuSO4 is soluble Commercial Bioleaching Tanks BIOREMEDIATION- Xứ lý sinh học môi trƣờng/Sự bồi hoàn sinh học • sử dụng các sinh vật sống, thường là vi sinh vật, thực vật, và sản phẩm sinh ra từ chúng hoặc kết hợp các yếu tố trên để phân huỷ, khử độc hay cô lập các chất độc trong môi trường. Sử dụng Bioremediation trong làm sạch: • Oil spills • Waste water • Plastics • Chemicals (PCBs) • Toxic Metals XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH VẬT BIOREMEDIATION & BIODEGRADATION CÁC YÊU CẦU CỦA BIOREMEDIATION MICROORGANISMS ENERGY SOURCE ELECTRON ACCEPTOR MOISTURE pH NUTRIENTS TEMPERATURE ABSENCE OF TOXICITY REMOVAL OF METABOLITIES ABSENCE OF COMPETITIVE ORGANISMS BIOREMEDIATION Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 61 Khả năng khai thác các nguồn vi sinh vật khác nhau Sự phân hủy sinh học- Biodegradation • Biodegradation – quá trình làm giảm cấp độ phức tạp của các hợp chất hóa học nhờ enzyme của vi sinh vật • Quá trình này liên quan đến việc phân hủy các hợp chất hữu cơ qua chuyển hóa sinh học thành các hợp chất đồng hóa kém phức tạp hơn hoặc thông qua quá trình khoáng hóa thành các hợp chất khoáng vô cơ như: H2O, CO2 or CH4. • Khoáng hóa (Mineralization) – sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩn vô cơ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 64 NGUYÊN LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 65 NGUYÊN LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 66 NGUYÊN LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 67 NGUYÊN LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 68 NGUYÊN LÝ Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 69 NGUYÊN LÝ Bioremediation Bacteria degrade organic matter in sewage. Bacteria degrade or detoxify pollutants such as oil and mercury Làm sạch dầu và chất thải Vi khuẩn tiêu hóa hydrocacbon tìm thấy trên khắp môi trƣờng Những vi sinh vật tự nhiên này đƣợc sử dụng trong thời gian làm sạch bờ biển Phân bón đƣợc thêm vào để cung cấp dƣỡng chất phốt pho và nitơ Đây là phƣơng pháp đƣợc sử dụng sau sự kiện Exxon Valdez Kích thích tốc độ phân hủy sinh học tự nhiên của 2 đến 5x Hiện vẫn chƣa có bất kỳ trƣờng hợp khác nào đƣợc sử dụng trên một quy mô lớn Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 72 Ví dụ về xử lý ô nhiễm Cacbon: cơ chế đồng hóa Ô nhiễm dầu !! + The Exxon Valdez accident at Bligh Reef in 1989 discharged 40 million litres,polluting 1700 km of coastline . +1991 Persian Gulf:240 million gallons spilled from oil terminals and tankers off the coast of Prince William Sound, Alaska. Before After Smaller scale cleanup is feasible For 3 months nutrients and microbes were sprayed on this field After 11 months the site was deemed clean 6000yards3 petroleum conc. Before 4000ppm After 100ppm Before After Xử lý chất thải sinh hoạt hoặc chất thải công nghiệp Sử dụng khí để ôxy hóa cho phép các vi sinh vật hiếu khí để tiêu hóa chất thải rắn Xử lýchất thải 140.000.000 tấn nhựa đƣợc sản xuất mỗi năm chất dẻo truyền thống là rất ổn định và không phân hủy Một số chất dẻo đã đƣợc thể hiện đƣợc phân huỷ sinh học Chủng vi khuẩn đã đƣợc phân lập, chúng có khả năng phân hủy : Polyurethane Polyvinyl alcohol Nylon-66 Các con đƣờng phân hủy này hiện vẫn đang đƣợc nghiên cứu Phân hủy chất thải nhựa Plastic Degradation PCBs có tính hòa tan nƣớc thấp, đặc tính cách nhiệt tốt, điểm sôi cao và khả năng chống hóa chất Sử dụng PCB nhiều nhất trong tụ điện, máy biến thế, và các chất làm dẻo Xử lý ô nhiễm hóa chất Polychlorinated biphenyls (PCBs) Năm 1977, Monsanto (nhà sản xuất chính) dừng tất cả các sản xuất PCB Hàng triệu lbs của PCBs vẫn còn có mặt khắp thế giới Các tính chất ổn định đã làm PCBs nên hữu ích đã cho phép chúng tồn tại bền vững trong môi trƣờng Hầu hết mọi ngƣời ở các nƣớc công nghiệp có PCBs trong mô của họ Vi khuẩn dehalogenate PCBs đã đƣợc phân lập Quá trình này đƣợc gọi là halorespiration Liên quan đến việc thay thế các Cl với OH- Quá trình này gồm nhiều bƣớc với bốn enzyme cần thiết Các enzyme này hiện là mục tiêu của kỹ thuật protein nhằm tối ƣu hiệu suất của chúng Chế biến Uranium đã làm ô nhiễm nƣớc ngầm trên khắp Hoa Kỳ và thế giới Phƣơng pháp truyền thống " bơm và điều trị“ mất hàng thập kỷ và công nhân bị tiếp xúc với mức độc hại của uranium Geobacter để chuyển đổi uranium hòa tan thành uraninite không tan Uraninite vẫn ở dạng không hòa tan vào nguồn nƣớc hoặc tƣới tiêu Các vi khuẩn đƣợc khuyến khích phân chia bằng cách tiêm acetate Trong ~ 50 ngày, 70% uranium đƣợc chuyển đổi thành uraninite LÀM SẠCH Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 82 Xử lý ô nhiễm môi trƣờng bằng thực vật- phytoremediation Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 83 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 84 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 85 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 86 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 87 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 88 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 89 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 90 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 91 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 92 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 93 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 94 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 95 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 96 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 97 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 98 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 99 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 101 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 102 Bioremediation: Thực vật chuyển gen – poplars chuyển gen (cadmium and zinc) – Thử nghiệm đồng ruộng – GMC (lead and cadmium) – nghiên cứu cơ bản – geraniums chuyển gen (cadmium, lead, copper) • Guelf University, Canada – thử nghiệm đồng ruộng thành công – cottonwoods chuyển gen (mercury) • Thử nghiệm đồng ruộng tại anbury, CT Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 104 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 105 Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 106 • Tham khảo tài liệu tại: • %BB%A7/tabid/36/Default.aspx Nguyễn Thị Phương Thảo ,Bộ Môn CNSH Thực Vật, Khoa CNSH, ĐHNNHN 107 Chương VI. An toàn sinh học