Bài giảng Nhập môn Công nghệ sinh học - Nguyễn Vũ Phong

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn Công nghệ sinh học - Nguyễn Vũ Phong

1. Nhập môn Công nghệ sinh học Lớp DH06SH HKII-2007-2008 Nguyễn Vũ Phong nvphong@hcmuaf.edu.vn Tel: 08 722 0295
2. Nội dung môn học ➢ Chương 1: Mở đầu ➢ Chương 2: Công nghệ sinh học phân tử ➢ Chương 3: Công nghệ sinh học vi sinh vật ➢ Chương 4: Công nghệ sinh học thực vật ➢ Chương 5 : Công nghệ sinh học động vật ➢ Chương 6: Ứng dụng và một số vấn đề xã hội liên quan
3. Chương 1: Mở đầu • Công nghệ sinh học là gì? - Lịch sử phát triển công nghệ sinh học - Khoa học mũi nhọn của thế kỷ XXI - Sự ra đời của công nghệ sinh học là tất yếu lịch sử • Tế bào: công cụ sản xuất và thử nghiệm của CNSH - Các tế bào - Cải biến và sử dụng tế bào
4. Chương II: CNSH phân tử • Các kỹ thuật công nghệ gene (Genetic engineering) - Các công cụ - Phương pháp cơ bản • Ứng dụng công nghệ gene - Khai thác DNA genomic - Công nghệ RNA - Công nghệ protein tái tổ hợp - Sinh vật chuyển gene. - Ứng dụng công nghệ di truyền (CNDT) đối với con người • CNSH protein và enzyme - Cấu trúc phân tử protein - Các protein trị liệu (Therapeutic protein) - Các enzyme công nghiệp - Cố định enzyme và tế bào
5. Chương III: CNSH vi sinh vật • Cơ sở công nghệ vi sinh vật. - Đặc điểm chung của vi sinh vật - Kỹ thuật vô trùng, chọn tạo giống - Các nhóm vi sinh vật công nghiệp chủ yếu • Công nghệ lên men - Khái quát sự lên men công nghiệp - Sự tăng trưởng của tế bào trong nuôi cấy lên men - Nguồn dinh dưỡng và vật liệu ban đầu - Hệ thống thiết bị - Vận hành quy trình lên men.
6. Chương III: CNSH vi sinh vật • Cơ sở công nghệ vi sinh vật. • Công nghệ lên men • Các sản phẩm công nghệ lên men - Sản xuất sinh khối - Công nghiệp vaccine - Protein đơn bào (SCP) - Công nghiệp rượu bia và cồn nhiên liệu - Thuốc kháng sinh - Hợp chất thứ cấp
7. Chương IV: CNSH thực vật • Khái quát • Nuôi cấy mô và cơ quan thực vật • Các ứng dụng nuôi cấy mô và cơ quan • Nuôi cấy tế bào thực vật • Chọn giống dựa vào công nghệ tế bào • Công nghệ gene thực vật
8. Chương V: CNSH động vật • Khái quát • Nuôi cấy tế bào động vật • Hydridoma và kháng thể đơn dòng • Nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) • Tế bào gốc (Stem cells) • Ghép cơ quan động vật • Sinh sản nhân tạo ở người • Sự phát triển công nghệ gene ở động vật.
9. Chương VI: Ứng dụng và các vấn đề xã hội liên quan • Ứng dụng - Trong nông nghiệp - Trong môi trường - Trong sản xuất thực phẩm - Trong y dược - Tạo năng lượng - Trong hóa học • Các vấn đề xã hội liên quan - Đạo đức và an toàn sinh học - Quản lý các ứng dụng của công nghệ gene - Cấp bằng sáng chế cho phát minh công nghệ sinh học
10. Phân bố thời gian • Từ buổi 1- 6: học lý thuyết trên lớp Kiểm tra 15 phút/buổi (Quiz test) • Từ buổi 7-10: seminars Mỗi buổi 02 seminar 30 phút /seminar + 30 phút thảo luận Đánh giá – Hình thức đánh giá • Đánh giá quá trình (60 điểm) - Kiểm tra nhanh: (10 điểm): 15 phút - Seminar (50 điểm): 10 sinh viên/01 seminar (dịch tài liệu và trình bày bài seminar) • Đánh giá cuối khóa (40 điểm): thi trắc nghiệm/60 phút.
11. Điều kiện hoàn thành môn học • Đạt 5/10 điểm kiểm tra nhanh • Đạt 30/50 điểm seminar • Đạt 25/40 kiểm tra cuối khóa Tài liệu tham khảo • Tài liệu làm seminar • Phạm Thành Hổ. 2006. Nhập môn Công nghệ sinh học. Nhà xuất bản giáo dục. 311 trang. • Nguyễn Văn Uyển, Nguyễn Tiến Thắng. 2000. Những kiến thức cơ bản về công nghệ sinh học. • Aluzio Borem, Fabricio R Santos, David E.Bowen. 2003. Understanding Biotechnology, 240p.
12. Chương I: Mở đầu Việc làm Kỹ sư Công nghệ sinh học DH01SH DH02SH Học tiếp sau đại học Học tiếp sau đại học Giảng viên Giảng viên Nghiên cứu viên Nghiên cứu viên Kinh doanh Kinh doanh Công việc khác Công việc khác Chưa việc làm Chưa việc làm Nhóm việc làm Khóa 01 (%) Khóa 02 (%) Khóa 03 (%) Học tiếp sau đại học 12,05 13,48 Tốt nghiệp tháng 12/2007 Giảng viên 13,25 13,48 Nghiên cứu viên 26,51 38,2 Kinh doanh 24,10 15,73 Công việc khác 21,69 14,6 Chưa việc làm 2,41 4,49
13. Cơ hội nghề nghiệp • Nâng cao trong các lĩnh vực – Công nghệ di truyền, – Công nghệ protein, – Nuôi cấy tế bào – Sinh học phân tử Đã tạo ra một tiềm năng hầu như không hạn chế, có khả năng thay đổi những hệ thống sống, mở rộng phạm vi của công nghệ sinh học, tạo ra những ứng mới trong sản xuất sinh học và cho phép dự báo những khả năng kiểm soát tiến trình cuộc sống.
14. Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu 1655 Robert Hooke 1937-1938 Schleiden Schwann
15. Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu 1859 Học thuyết tiến hóa 1865 Quy luật di truyền
16. Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Các phát minh chủ yếu 1868 Tìm ra DNA F. Miescher 1860 Vi sinh vật học và CNSH vi sinh vật
17. Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Phát minh nền tảng của thế kỷ XX 1910-1920 Thuyết di truyền NST 1953
18. Khoa học công nghệ mũi nhọn của thế kỷ XX • Phát minh nền tảng của thế kỷ XX 02/1997 Nhân bản vô tính động vật (Animal cloning) Wilmut và Dolly 1999 Tế bào gốc soma (Somatic Stem Cell) Giải chuỗi ký tự (Sequencing) bộ gen người (Human Genome 26/06/2000 Projet –HGP)
19. 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)
20. 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 siêu nhỏ: 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 siêu nhỏ: 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
21. 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
22. 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.
23. Công nghệ sinh học là gì? Các giai đoạn của công nghệ sinh học 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 phân tử: - CNSH protein, enzyme: - CNSH vi sinh vật: - CNSH thực vật - CNSH động vật
24. Công nghệ sinh học là gì? 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
25. Công nghệ sinh học là gì? 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.
26. Công nghệ sinh học là gì? • Công nghệ sinh học : con người áp dụng các nguyên lý sinh học để tạo ra sản phẩm và cung cấp các dịch vụ phục vụ cuộc sống. • 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
27. 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.
28. 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 đăc biệt.
29. 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 DNA recombinant technology
30. 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)
31. Công nghệ sinh học là gì? • 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)
32. Dự án bộ gen người (Human Genome Project (HGP)) • HGP hoàn thành vào năm 2003 là sự kết hợp của rất nhiều quốc gia (Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp, Đức ) 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
33. Những thành tựu của HGP • 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.
34. Hình: Bản đồ gen của Chromosome 13 & 21 với những gene quy định những căn bệnh di truyền.
35. CNSH là một khoa học bao gồm nhiều lĩnh vực Hình: Cây CNSH : những lĩnh vực khác nhau tạo nên công nghệ sinh
36. 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.
37. Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học 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. 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.
38. Những lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học 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. . 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
39. Mỗi lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học đều sử dụng những kiến thức: - Sinh hóa (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).
40. Chúc ăn trưa ngon và vui vẻ ! See you next time !