Sinh học - Giới thiệu về Công nghệ sinh học

3/3/2015 1 Giới thiệu về Công nghệ sinh học Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu 1655 1937-1938 Robert Hooke Schleiden Schwann 1859 1865 Học thuyết tiến hóa Quy luật di truyền Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu 1860 Vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật 1868 Tìm ra DNA Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu F. Miescher Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Phát minh nền tảng của thế kỷ XX 1953 1910-1920 Thuyết di truyền NST 1999 02/1997 Nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) Tế bào gốc soma (Somatic Stem Cell) 26/06/2000 Giải chuỗi ký tự (Sequencing) bộ gen người (Human Genome Projet –HGP) Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Phát minh nền tảng của thế kỷ XX Wilmut và Dolly 3/3/2015 2 Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Ứng dụng trong các cuộc cách mạng mới - 1960: Cách mạng xanh : tăng vọt sản lượng lúa - 1970: Công nghệ di truyền phát triển dẫn đến cách mạng công nghệ sinh học. genomics, proteomics, bioethics, biosafety • Cải thiện chất lượng cuộc sống - 1975: y sinh học phân tử tạo dòng gene, xác định gene bệnh, tạo protein tái tổ hợp (insulin, interferon,), cơ chế chết của tế bào (apoptosis) - 1995: Y học bộ gene (Genomic medecine) Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Mối liên quan với những ngành khoa học công nghệ trong tương lai Công nghệ thông tin: - Bioinformatics - Human computer interface - Biocomputer Công nghệ nano: Nanotechnology Công nghệ tự động - Intelligent systems and robotics: vật liệu kết nối não người và computer - Biorobot • Những ý tưởng sáng tạo từ phía sinh học - Công nghệ nano: mỗi protein và enzyme là một đơn vị siêu nhỏ - Công nghệ tự động: chế tạo hệ thống tự động hoàn hảo từ cấu trúc và hoạt động của tế bào - Công nghệ vật liệu: lotus effect, chất bám dính như hệ thống chân thằn lằn Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Mối liên quan với những ngành khoa học công nghệ trong tương lai • Những ý tưởng sáng tạo từ phía sinh học • Bộ phận của nền kinh tế tri thức Công nghệ sinh học là gì? • Công nghệ sinh học : về cơ bản là công nghệ sử dụng những hệ thống sinh vật (thường là các vi sinh vật) tạo ra sản phẩm phục vụ cho các mục tiêu sức khoẻ, xã hội và kinh tế. • Công nghệ sinh học được đánh giá là công nghệ phát triển của thế kỉ XXI và công nghệ này sẽ dẫn đến sự phát triển to lớn trong công nghệ sinh học công nghiệp và thúc đẩy những cơ hội học tập. • Sự phát triển của sinh học phân tử và mối liên hệ với các kỹ thuật công nghệ là kết quả của sự nâng cao hiểu biết và dùng những tiến trình sinh học cơ bản phục vụ lợi ích thương mại. Công nghệ sinh học là gì? Các giai đoạn của công nghệ sinh học Các lĩnh vực của công nghệ sinh học • CNSH theo đối tượng nghiên cứu - CNSH phân tử - CNSH protein, enzyme - CNSH vi sinh vật - CNSH thực vật - CNSH động vật CNSH truyền thống CNSH hiện đại CNSH phân tử CNSH ??? Các lĩnh vực của công nghệ sinh học • CNSH theo đối tượng nghiên cứu • CNSH theo lĩnh vực kinh tế xã hội - CNSH y học - CNSH thực phẩm - CNSH trong hóa học và vật liệu - CNSH nông nghiệp - CNSH môi trường Công nghệ sinh học là gì? 3/3/2015 3 Ứng dụng của công nghệ sinh học
Phân tích và chữa trị bệnh ở người, tăng cường sản xuất những chất chữa trị.
Phát triển và tăng cường năng suất, phẩm chất các giống cây trồng, vật nuôi
Phát triển và tăng cuờng các tiến trình quản lý côn trùng và dịch bệnh.
Phát triển các đầu dò cảm ứng sinh học (biosensors) trong nghiên cứu chất ô nhiễm môi trường (environmental pollutants).
Phát triển trong các quá trình xử lý chất thải và phương pháp giải độc bằng thực vật (phytoremediation) các vùng ô nhiễm độc.
Sản xuất các sinh vật biến đổi di truyền ứng dụng trong sản xuất dược liệu, tăng sự thành công trong di thực các loài cây trồng, vật nuôi. Công nghệ sinh học là gì? • Công nghệ sinh học được định nghĩa một cách chung nhất là sử dụng và/hoặc sản xuất các sinh vật để phục vụ lợi ích cho con người. Công nghệ sinh học là gì ? • Trong thời gian dài, công nghệ sinh học được xem là những tiến trình sử dụng các tổ chức sống để sản xuất, cải tiến các sản phẩm. - Người xưa đã dùng vi sinh vật và phương pháp lên men tạo ra bánh mì, fromage, yogurt, rượu, bia, ... - Một trong những hiểu biết và ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học là sản xuất kháng sinh Penicillin từ nấm Penicillium (A.Flemming, 1928). Năm 1940, Penicillin được sản xuất rộng rãi ở quy mô công nghiệp và thương mại hóa. Công nghệ sinh học là gì? • Khoảng 2 thập kỷ trở lại đây, công nghệ sinh học trở thành ngành khoa học phát triển với tốc độ rất nhanh và đạt được những thành tựu to lớn - Kể từ năm1960, sự phát triển nhanh chóng những hiểu biết về di truyền học và sinh học phân tử dẫn đến nhiều phát minh và ứng dụng trong công nghệ sinh học. - Những bí mật về cấu trúc của phân tử DNA và hoạt động của nó đã dẫn đến phát minh nhân bản gene và công nghệ di truyền. - Thông tin di truyền chứa trong các genes được tìm ra và nghiên cứu hoạt động của chúng từ đó phát triển sự nghiên cứu tổng hợp những protein đặc biệt. Công nghệ sinh học là gì? - Escherichia coli (E. coli),vi khuẩn sống trong dạ dày trở thành sinh vật kiễu mẫu cho nghiên cứu trong công nghệ sinh học, nhất là trong nghiên cứu tổng hợp protein. - Những kỹ thuật được dùng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học bao gồm: (a) tách chiết gene mã hóa cho protein quan tâm, (b) cloning gene trong tế bào ký chủ thích hợp, và (c) tăng cường sự thể hiện của gene này bằng cách dùng promoters mạnh hơn, cách điều kiện điều hoà sự biểu hiện gene Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology) Công nghệ sinh học là gì? • Thông qua công nghệ di truyền, người ta có thể kết hợp nhiều nguồn DNA khác nhau và tiến trình này gọi là Kỹ thuật tái tổ hợp DNA (recombinant DNA technology) • Khoảng 1 thập kỷ trước, công nghệ protein (protein engineering) trở thành hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng nhờ phát triển dựa trên những thành tựu của công nghệ tái tổ hợp DNA. • Công nghệ tái tổ hợp DNA đã tạo ra hàng ngàn ứng dụng trong tạo các giống cây trồng kháng bệnh hại và có năng suất và chất lượng cao; những vi sinh vật tái tổ hợp có khả năng phân hủy những chất ô nhiễm môi trường (bioremediation) Công nghệ sinh học là gì? 3/3/2015 4 • Từ những năm 80 đến đầu những năm 90 người ta đã tạo ra những sinh vật biến đổi di truyền GMO (genetically modified organism ) có vai trò quan trọng trong sản xuất thực phẩm như bò sữa, cừu , cà chua, khoai tây, thuốc lá và bông vải. • Việc chuyển gene mong muốn tạo nên những sinh vật biến đổi gene (GMO) có khả năng chống chịu lại dịch bệnh, tăng năng suất và chất lượng dinh dưỡng. • Kỹ thuật tái tổ hợp và công nghệ di truyền dẫn đến sự phóng thích những sinh vật biến đổi gene vào môi trường. Điều này đòi hỏi phải có những biện pháp kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo an toàn sinh học (biosafety) Công nghệ sinh học là gì? • HGP hoàn thành vào năm 2003 là sự kết hợp của rất nhiều quốc gia (Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp, Đức ) Dự án bộ gen người (Human Genome Project ,HGP) Những thành tựu của HGP • Xác định được gần toàn bộ 20,000-25,000 genes trong DNA người, • Xác định được chuỗi 3 tỉ cặp base cấu thành chuỗi DNA người, • Lưu giữ thông tin trong cơ sở dữ liệu, • Nghiên cứu và hoàn thiện thêm nhiều công cụ nghiên cứu, phân tích dữ liệu • Chuyển những kỹ thuật công nghệ có liên quan những tổ chức cơ sở tư nhân • Cho biết vị trí chính xác trên nhiễm sắc thể và mã di truyền của mỗi gene trong bộ gen người cũng như những tiến trình trong tế bào do những gene này kiểm soát. Những tính trạng như màu tóc, màu mắt, chiều cao và những bệnh di truyền • Định danh và vẽ bản đồ vị trí của mỗi gen nằm trên từng nhiễm sắc thể. Những thành tựu của HGP Hình. Bản đồ gen của Chromosome 13 & 21 với những gene quy định những căn bệnh di truyền. Cây CNSH : những lĩnh vực khác nhau tạo nên công nghệ sinh học CNSH là một khoa học bao gồm nhiều lĩnh vực Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học Công nghệ lên men • Lĩnh vực quan trọng nhất trong công nghệ sinh học. Phát triển rộng rãi với những sản phẩm mới như thuốc chữa bệnh, dung môi, protein • Bên cạnh những sản phẩm tạo ra, còn những nghiên cứu nhằm thiết kế những hệ thống lên men (bioreactor) hiện đại và hữu hiệu và tối ưu hóa hệ thống lên men. 3/3/2015 5 Công nghệ enzyme Xúc tác những phản ứng hóa học cực kỳ đặc hiệu, hoặc làm bất hoạt các enzyme và tạo ra những phân tử chuyển hóa. Những sản phẩm được tạo ra bao gồm L-amino acids, đường cao năng, penicillins bán tổng hợp, tinh bột và cellulose thủy phân, etc. Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học Công nghệ xử lý chất thải Chuyển hóa, phân hủy chất thải trong đời sống hàng ngày và trong sản xuất công nghiệp và tái tạo những nguồn nguyên liệu mới. Công nghệ sinh học trong môi trường. Ứng dụng công nghệ sinh học trong giải quyết những vấn đề như kiểm soát ô nhiễm, xử lý chất thải độc hại, khám phá kim loại nặng từ chất thải khai khoáng, quặng mỏ và những phế phẩm từ khai thác quặng mỏ. . Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học Công nghệ tạo nguồn năng lượng mới. EX: Dùng lignocellulose tạo ra những nguồn năng lượng thô mới không thông qua khai thác tự nhiên như ethanol, methane, và hydrogen, biofuel Công nghệ sinh học sử dụng những kiến thức từ: - Hóa sinh (Biochemistry), - Di truyền học (Genetics), - Hóa học (Chemistry), - Vi sinh ứng dụng (Applied Microbiology), - Công nghệ và quá trình hóa học (Chemical and Process Engineering), - Toán học (Mathematics) và - Công nghệ máy tính (Computer Technology).