Tài liệu nhập môn công nghệ sinh học

MỤC LỤC



Trang​ LỜI NÓI ĐẦU

Phần I. CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN
5​ Ch ơng 1. MỞ ĐẦU
6​ I. Định nghĩa công nghệ sinh học
6​ 1.
Định nghĩa tổng quát
6​ 1.1. Công nghệ sinh học truyền thống
7​ 1.2. Công nghệ sinh học hiện đại
7​ 2.
Nội dung khoa học của công nghệ sinh học
7​ 3.
Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học
9​ 3.1. Công nghệ sinh học trong nông nghiệp
9​ 3.2. Công nghệ sinh học trong y dược
10​ 3.3. Công nghệ sinh học công nghiệp và chế biến thực phẩm
10​ 3.4. Công nghệ sinh học môi trường
11​ II. Sơ lược lịch sử hình thành công nghệ sinh học
12​ 1.
Giai đoạn thứ nhất
13​ 2.
Giai đoạn thứ hai
13​ 3.
Giai đoạn thứ ba
13​ 4.
Giai đoạn thứ tư
14​ III. Một số khía cạnh về khoa học và kinh tế của công nghệ sinh
15​ học hiện đại

1.
Về khoa học
15​ 2.
Về kinh tế
16​ 2.1. Những công ty đa quốc gia về công nghệ sinh học
16​ 2.2. Sự lệ thuộc vào các công ty đa quốc gia về công nghệ
16​ sinh học

IV. Các vấn đề pháp lý của công nghệ sinh học hiện đại
17​ 1.
An toàn sinh học
18​ 1.1. Sự chuyển gen bằng hạt phấn
18​ 1.2. Sự bền vững của DNA ở trong đất
19​

356​

1.3. Chuyển gen ngang từ thực vật vào vi sinh vật đất
20​
1.4. Chuyển gen từ thực vật vào virus
21​
2.
An toàn thực phẩm
22​
2.1. Các chất gây dị ứng
23​
2.2. Đánh giá độ an toàn của các thực phẩm
24​
3.
Đạo đức sinh học

25​
4.
Quyền tác giả và sở hữu trí tuệ
27​
4.1. Quyền tác giả

27​
4.2. Sở hữu trí tuệ

28​
Tài liệu tham khảo/đọc thêm
30​
Ch ơng 2. CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP
31​
I. Mở đầu

31​
II. Phân lập đoạn DNA/gen
31​
1.
Tách các đoạn DNA từ genome
32​
2. Sinh tổng hợp cDNA từ mRNA
33​
3. Phân lập đoạn DNA bằng phương pháp PCR
33​
III. Tạo dòng (gắn) đoạn DNA/gen vào vector
36​
1.
Enzyme hạn chế

36​
2.
Các vector được dùng để tạo dòng các đoạn DNA
38​
2.1. Plasmid vector

39​
2.2. Bacteriophage
vector
42​


3.
Gắn đoạn DNA vào vector
43​
3.1. Gắn các đoạn cDNA
43​
3.2. Gắn các sản phẩm PCR
46​
4.
Biến nạp vector tái tổ hợp vào vi khuẩn/tế bào vật chủ
47​
4.1. Điện biến nạp

47​
4.2. Hóa biến nạp

48​
IV. Chọn dòng mang DNA tái tái tổ hợp
48​
1. Lai khuẩn lạc và vết tan
49​
2.
Khử hoạt tính bằng chèn đoạn
50​
3.
Tạo dòng định hướng
50​



357​



V. Biểu hiện gen được tạo dòng
52​ 1.
Vector biểu hiện
53​ 2.
Xác định mức độ biểu hiện của gen được tạo dòng
55​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
58​ Ch ơng 3. CÔNG NGHỆ LÊN MEN VI SINH VẬT
59​ I. Mở đầu
59​ II. Sinh trưởng của vi sinh vật
59​ III. Sinh khối vi sinh vật và công nghệ lên men
64​ 1.
Sinh khối vi sinh vật
64​ 2.
Quá trình lên men
65​ IV. Các sản phẩm lên men vi sinh vật
68​ 1. Lên men rượu
68​ 1.1. Rượu trắng
68​ 1.2. Rượu vang
70​ 2.
Sản xuất enzyme
71​ 2.1. Các loại enzyme vi sinh vật
72​ 2.2. Sinh tổng hợp enzyme cảm ứng
75​ 2.3. Những phương pháp nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất
76​ enzyme

2.4. Tách và tinh sạch chế phẩm enzyme
82​ 3.
Sản xuất kháng sinh
83​ 3.1. Penicillin
83​ 3.2. Streptomycin
85​ 3.3. Tetracycline
86​ 4.
Sản xuất acid hữu cơ
87​ 4.1. Acetic acid
87​ 4.2. Citric acid
89​ V. Công nghệ tái tổ hợp vi sinh vật
89​ 1.
Các vi sinh vật tái tổ hợp
90​ 2.
Các ứng dụng trong công nghệ vi sinh
90​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
91​

358​

Ch ơng 4. CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC VẬT
93​ I. Mở đầu
93​ II. Nuôi cấy mô và nhân giống in vitro
94​ 1.
Thuật ngữ học
94​ 1.1. Nuôi cấy đỉnh phân sinh
95​ 1.2. Sinh sản chồi nách
95​ 1.3. Tạo chồi bất định
95​ 1.4. Phát sinh cơ quan
96​ 1.5. Phát sinh phôi vô tính
96​ 2.
Nhân giống in vitro và các hệ thống nuôi cấy mô
96​ 2.1. Tái sinh cây mới từ các cấu trúc sinh dưỡng
97​ 2.2. Nhân giống thông qua giai đoạn callus
101​ 2.3. Nhân giống thông qua phát sinh phôi vô tính-công nghệ
102​ hạt nhân tạo

3.
Các giai đoạn trong quy trình nhân giống vô tính in vitro
107​ 3.1. Giai đoạn I-cấy gây
107​ 3.2. Giai đoạn II-nhân nhanh
108​ 3.3. Giai đoạn III-chuẩn bị và đưa ra ngoài đất
110​ 4.
Nhân giống in vitro và việc sử dụng giống ưu thế lai
110​ 5.
Nhân giống in vitro và các đặc điểm không di truyền
111​ 5.1. Hiện tượng các đặc điểm epigenetic được lưu lại
111​ 5.2. Hiện tượng các đặc điểm epigenetic không lưu lại
112​ III. Các kỹ thuật chuyển gen ở thực vật
112​ 1.
Biến nạp gián tiếp thông qua Agrobacterium
114​ 1.1. Vi khuẩn Agrobacterium
114​ 1.2. Ti-plasmid
115​ 1.3. Vùng T-DNA
116​ 1.4. Chuyển DNA ngoại lai vào tế bào và mô thực vật nhờ
117​ Agrobacterium tumefaciens

2.
Các gen chỉ thị chọn lọc và gen chỉ thị sàng lọc
119​ 3.
Chuyển gen bằng vi đạn
122​

359​

4.
Các ứng dụng của công nghệ chuyển gen
123​ 4.1. Một số kết quả bước đầu
123​ 4.2. Triển vọng và hướng phát triển
124​ 5.
Công nghệ di truyền trong kháng chất diệt cỏ
125​ 6.
Công nghệ di truyền trong kháng sâu-bệnh
126​ 6.1. Kháng côn trùng
126​ 6.2. Kháng các virus thực vật
127​ 6.3. Kháng các bệnh nấm
129​ 6.4. Kháng các bệnh vi khuẩn
130​ IV. Sản xuất các dược liệu sinh học
130​ 1.
Các hợp chất tự nhiên
130​ 1.1. Các alkaloid
132​ 1.2. Các steroid
132​ 1.3. Một số chất khác
133​ 2.
Các protein tái tổ hợp
134​ 3.
Vaccine thực phẩm
136​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
138​ Ch ơng 5. CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT
140​ I. Mở đầu
140​ II. Nuôi cấy tế bào động vật có vú
141​ 1.
Các ưu điểm và hạn chế của nuôi cấy tế bào động vật
141​ 1.1 Các ưu điểm của nuôi cấy tế bào động vật
141​ 1.2. Một số hạn chế của nuôi cấy tế bào động vật
143​ 2. Các dòng tế bào động vật có vú và các đặc điểm của nó
143​ 2.1. Các tế bào dịch huyền phù
143​ 2.2. Các tế bào dính bám
144​ 3. Các sản phẩm thương mại của nuôi cấy tế bào động vật có
144​ vú


4.
Glycosyl hóa protein
145​ 5.
Môi trường nuôi cấy tế bào động vật có vú
147​ 6.
Nuôi cấy tế bào động vật có vú trên quy mô lớn
149​

360​

6.1. Các điều kiện chung
149​ 6.2. Nuôi cấy mẻ
150​ 6.3. Nuôi cấy mẻ có cung cấp chất dinh dưỡng
152​ 6.4. Nuôi cấy thể ổn định hóa tính
152​ 6.5. Nuôi cấy perfusion
154​ 6.6. Số lượng và chất lượng sản phẩm
156​ III. Công nghệ di truyền của các tế bào động vật có vú
158​ 1.
Các phương pháp chuyển nạp gen
159​ 1.1. Phương pháp chuyển nhiễm
159​ 1.2. Phương pháp lipofection
159​ 1.3. Phương pháp xung điện
160​ 1.4. Phương pháp vi tiêm
161​ 1.5. Phương pháp dùng súng bắn gen
163​ 1.6. Phương pháp dùng các vector virus
163​ 2.
Các điều kiện cần thiết cho biểu hiện gen ngoại lai
165​ 3.
Các điều kiện thực nghiệm tối ưu
167​ 4.
Đồng chuyển nạp gen chỉ thị và gen thực nghiệm
167​ 5. Kỹ thuật tế bào mầm phôi, chuyển gen và tái tổ hợp tương
169​ đồng

IV. Nuôi cấy tế bào mầm để sản xuất cơ quan người
171​ 1.
Ứng dụng tế bào mầm phôi trong nghiên cứu cơ bản
172​ 2.
Nghiên cứu chức năng gen
173​ 3.
Nghiên cứu các mô hình bệnh lý
173​ 4.
Ứng dụng trong y học tái tạo
173​ V. Công nghệ phôi động vật có vú
175​ 1.
Cấy truyền hợp tử
175​ 2.
Bảo quản phôi
175​ 3.
Nuôi cấy tạm thời phôi trong cơ thể sống
176​ 4.
Kỹ thuật bọc phôi bằng agar
176​ 5.
Kỹ thuật nuôi cấy tạm thời phôi trong ống dẫn trứng
176​ VI. Nhân bản vô tính động vật có vú
177​ 1.
Khái niệm cơ bản
177​

361​

2.
Nhân bản vô tính ở động vật
177​ 3.
Nhân bản vô tính cừu Dolly
178​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
181​ Ch ơng 6. CÔNG NGHỆ PROTEIN
182​ I. Mở đầu
182​ II. Cấu trúc protein
183​ III. Các công cụ
184​ 1.
Nhận dạng trình tự
184​ 2.
Xác định cấu trúc và mô hình hóa
185​ 3.
Biến đổi trình tự
185​ 4.
Phát triển phân tử
188​ 5.
Thiết kế trình tự de novo
190​ 6.
Biểu hiện
190​ 7.
Phân tích
191​ IV. Một số ứng dụng của công nghệ protein
192​ 1.
Các đột biến điểm
192​ 1.1. Betaseron/Betaferon
192​ 1.2. Humalog
192​ 1.3. Các tá dược vaccine mới
193​ 2.
Sắp xếp lại vùng
194​ 2.1. Các vùng liên kết
194​ 2.2. Trao đổi các vùng protein
195​ 3.
Sắp xếp lại toàn bộ protein
196​ 4.
Các tương tác protein-phối tử
197​ 4.1. Biến đổi enzyme
197​ 4.2. Các chất chủ vận hormone
197​ 4.3. Thay thế các liên kết đặc hiệu
197​ V. Sản xuất protein trên quy mô lớn
198​ 1. Lên men E. coli tái tổ hợp
199​ 2. Lên men nấm
200​ 3.
Các enzyme vi sinh vật thay thế các enzyme thực vật
200​

362​

4.
Các nguyên tắc hóa sinh cơ bản
201​ 4.1. Sự cảm ứng
201​ 4.2. Ức chế ngược
202​ 4.3. Ức chế dinh dưỡng
204​ 5.
Công nghệ di truyền
205​ VI. Các quá trình tách chiết và tinh sạch protein
207​ 1.
Thu hồi protein
209​ 1.1. Thu hồi các protein ngoại bào
209​ 1.2. Thu hồi các protein nội bào
209​ 2.
Tinh sạch sơ bộ
216​ 2.1. Loại bỏ các mảnh vỡ của tế bào
216​ 2.2. Ly tâm mẻ
216​ 2.3. Ly tâm dòng chảy liên tục
217​ 2.4. Lọc bằng màng
217​ 3.
Hệ phân tách hai pha nước
218​ 4.
Các phương pháp kết tủa
220​ 4.1. Kết tủa bằng ammonium
220​ 4.2. Kết tủa bằng các dung môi hữu cơ
220​ 4.3. Kết tủa bằng các polymer khối lượng phân tử cao
221​ 4.4. Kết tủa bằng nhiệt
221​ 5.
Các phương pháp sắc ký
221​ 5.1. Sắc ký lọc gel
222​ 5.2. Sắc ký trao đổi ion
224​ 5.3. Sắc ký ái lực
227​ 5.4. Sắc ký tương tác kỵ nước
230​ 5.5. Các kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu suất cao
230​ 6.
Siêu lọc
231​ 7.
Thiết kế các protein để tinh sạch
232​ 7.1. Các thể vùi
232​ 7.2. Các đuôi ái lực
233​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
236​



363


Phần II. CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
237​ Ch ơng 7. CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP
238​ I. Mở đầu
238​ II. Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng
238​ 1.
Nhân giống vô tính in vitro
239​ 2.
Sản xuất cây đơn bội in vitro
240​ 2.1. Phương pháp tạo thể đơn bội in vivo
240​ 2.2. Phương pháp tạo thể đơn bội in vitro
241​ 3.
Dung hợp protoplast hay lai vô tính tế bào thực vật
241​ 3.1. Dung hợp protoplast bằng hóa chất
242​ 3.2. Dung hợp protoplast bằng điện
242​ 4.
Chọn dòng biến dị soma
243​ 5.
Chuyển gen vào cây trồng
244​ 5.1. Cây lúa
244​ 5.2. Cây lúa mì
246​ 5.3. Cây lúa mạch
247​ 5.4. Cây đậu tương
247​ 5.5. Cây đậu tây
248​ 5.6. Cây bông
248​ 5.7. Cố định đạm
249​ III. Chăn nuôi và thú y
250​ 1.
Kỹ thuật cấy chuyển phôi
250​ 2.
Tạo chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật
250​ 3.
Chuyển gen vào động vật
251​ IV. Chế biến thực phẩm
252​ 1.
Sản xuất sữa
253​ 1.1. Sản xuất sữa chua
253​ 1.2. Sản xuất phomát
255​ 2.
Chế biến tinh bột
257​ 3.
Sản xuất nước uống lên men
257​ 3.1. Sản xuất bia
258​

364​

3.2. Sản xuất rượu vang
259​ 3.3. Sản xuất rượu trắng
262​ 4. Các sản phẩm chứa protein
265​ 4.1. Thực phẩm lên men truyền thống giàu protein
265​ 4.2. Protein vi khuẩn đơn bào
265​ 5. Chế biến rau quả
268​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
268​ Ch ơng 8. CÁC ỨNG DỤNG TRONG Y-D ỢC
270​ I. Mở đầu
270​ II. Vaccine
270​ 1. Các phương thức tiêm chủng vaccine hiện nay
271​ 1.1. Các vaccine bất hoạt
271​ 1.2. Các vaccine sống nhược độc
272​ 2. Vai trò của công nghệ di truyền trong nhận dạng, phân tích
272​ và sản xuất vaccine

2.1. Nhận dạng và tạo dòng các kháng nguyên có tiềm năng
272​ vaccine

2.2. Phân tích các kháng nguyên vaccine
273​ 2.3. Sản xuất các vaccine tiểu đơn vị
274​ 3. Cải thiện và sản xuất các vaccine sống nhược độc mới
275​ 3.1. Cải thiện các vaccine sống nhược độc
275​ 3.2. Các vector sống tái tổ hợp
275​ 4. Các hướng tiếp cận khác trong sản xuất vaccine
278​ 4.1. Các DNA vaccine
278​ 4.2. Các peptide vaccine
279​ 4.3. Kháng các kiểu gen cá thể
279​ III. Kháng thể đơn dòng
280​ 1. Sản xuất hybridoma bằng cách dung hợp tế bào sinh dưỡng
280​ 2. Sản xuất kháng thể đơn dòng bằng công nghệ DNA tái tổ
281​ hợp

2.1. Phân lập các gen immunoglobulin
281​
365​

2.2. Biểu hiện scFV trên bề mặt bacteriophage
282​ 3.
Kháng thể đơn dòng trong nghiên cứu Sinh-Y
282​ 4.
Kháng thể đơn dòng trong chẩn đoán và điều trị bệnh
283​ IV. Liệu pháp gen
284​ 1.
Các loại liệu pháp gen
285​ 1.1. Liệu pháp soma
285​ 1.2. Liệu pháp gen tế bào mầm
285​ 2.
Các ứng dụng của liệu pháp gen trong chữa bệnh
286​ 2.1. Bệnh thiếu hụt miễn dịch phối hợp trầm trọng
286​ 2.2. Bệnh ung thư
287​ 2.3. Bệnh thiếu máu hồng cầu liềm
288​ 2.4. Bệnh xơ nang
290​ 2.5. Bệnh HIV/AIDS
291​ V. Protein trị liệu
292​ 1.
Sản xuất hormone
292​ 1.1. Hormone sinh trưởng người
292​ 1.2. Somatostatin
292​ 2.
Sản xuất enzyme
293​ 3.
Sản xuất thuốc nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp
293​ 3.1. Sản xuất insulin
293​ 3.2. Sản xuất interferon
294​ 3.3. Sản xuất interleukin
295​ VI. Chẩn đoán bệnh để can thiệp sớm
296​ 1.
Chẩn đoán sớm giới tính của thai
296​ 2.
Chẩn đoán sớm dị hình, quái thai trước khi sinh
297​ 3.
Chẩn đoán phát hiện các tác nhân gây bệnh ngoại lai
298​ 4.
Chẩn đoán các bệnh di truyền
299​ 5. In dấu DNA
300​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
301​ Ch ơng 9. CÁC ỨNG DỤNG TRONG MÔI TR ỜNG
302​ I. Mở đầu
302​

366​

II. Xử lý nước thải
302​ 1.
Xử lý hiếu khí bằng hệ thống bùn hoạt tính
303​ 2.
Xử lý yếm khí
304​ 3.
Thu hồi nước
305​ III. Phân hủy bùn hữu cơ
306​ IV. Xử lý chất thải rắn
309​ V. Xử lý khí thải
311​ 1. Loại bỏ các hợp chất vô cơ dễ bay hơi
311​ 2.
Loại bỏ các hợp chất sulphur và nitrogen từ khí ống khói
315​ bằng phương pháp sinh học

VI. Phân hủy chất rắn
317​ 1.
Kích thích sinh học và tăng sinh học
317​ 2.
Các kỹ thuật phân hủy chất rắn
318​ 2.1. Phân hủy sinh học tại chỗ
318​ 2.2. Landfarming
318​ 2.3. Các bể phản ứng sinh học pha bùn
319​ VII. Xử lý nước ngầm
320​ 1.
Sự phục hồi hoạt động
320​ 2.
Sự suy giảm tự nhiên và sự giám sát
322​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
323​ Phụ lục. MỘT SỐ THUẬT NGỮ CƠ BẢN
324​ Tài liệu tham khảo/đọc thêm
355​ MỤC LỤC
356​














367