Đồ Án ứng dụng hệ thống nuôi cấy bioreactor trong cnsh thực vật

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG NUÔI CẤY BIOREACTOR TRONG CNSH
THỰC VẬT
1. MỞ ĐẦU
Kỹ thuật nuôi cấy mô ra đời đã mở ra một cuộc cách mạng trong nhân giống thực
vật. Nhưng với phương pháp truyền thống nuôi cấy trên môi trường thạch thì khó đáp
ứng được nhu cầu giống cây trồng cung cấp trên thị trường, giá thành lại cao; do việc
phải cấy chuyền, tách mẫu bên trong tủ cấy hầu như đều thực hiện bằng tay, tốn nhiều lao
động lại dể bị nhiễm. Chính vì vậy cần phải có một hệ thống nuôi cấy mới làm sao có thể
tự động hóa giúp giảm thiểu nhân công, thời gian và số lượng cây nhiều. Năm 1981,
Takayama và Misawa đã đề xuất một hệ thống nuôi cấy lỏng có hệ thống sục khí chủ
động từ bên ngoài vào với tên gọi Bioreactor [2]. Trong nuôi cấy lỏng người ta chia ra ba
loại là nuôi cấy lỏng tĩnh, nuôi cấy lỏng lắc và nuôi cấy Bioreactor, tất cả đều được dùng
để nuôi cấy huyền phù tế bào, phát sinh cơ quan.[21] Và hệ thống Bioreactor là thường
được dùng nhiều, chủ yếu để nuôi cấy huyền phù tế bào và sản xuất hoạt chất thứ cấp trên
nhiều đối tượng nghiên cứu khác nhau [22][2][18], và hiện nay đang có xu hướng dùng
Bioreactor để nuôi cấy rễ lông tơ nhằm thu nhận hoạt chất thứ cấp, bởi so với nuôi cấy
huyền phù thì nuôi cấy rể có ưu thế là ít bị biến đổi di truyền và chứa nhiều sản phẩm cần
thu nhận hơn.
Nhưng thực ra từ những năm 60, Giáo sư Gamborg đã đưa ra ý tưởng ứng dụng
nuôi cấy tế bào thực vật trong fermenter, vào những năm đó thiết bị nuôi cấy tương
đương như hệ thống nuôi cấy lên men. Bằng thiết bị đó các nhà khoa học có thể điều
khiển và xác định được sự tăng trưởng của tế bào. Sau khi bắt đầu nuôi cấy tế bào trong
môi trường lỏng đã cho các nhà khoa học biết rằng tế bào thực vật khác với tế bào nấm
men, và nếu được bảo quản trong điều kiện giống nhau thì tế bào thực vật không sinh
trưởng đơn độc mà cũng không xảy ra sự sinh trưởng đồng thời theo một cách như tế bào
nấm men. Nuôi cấy bằng kỹ thuật này, việc nghiên cứu thu nhận sinh khối, nghiên cứu
dinh dưỡng và sinh hoá trong môi trường lỏng tỏ ra rất hiệu quả [4]. Trong những năm
sau đó vào những năm 1970, một công ty Thuốc lá của Nhật Bản đã rất quan tâm đến vấn
đề này, họ đã tiến hành sản xuất sinh khối cây thuốc lá để làm nguyên liệu cho sản xuất
thuốc điếu; công ty này đã nuôi cấy trong tank fermenter 20 lít [15].
Về sau, để khắc phục những nhược điểm của hệ thống cho ngập chìm mẫu hoàn
toàn, Harris và Mason đã cải tiến thành hai hệ thống nuôi cấy ngập chìm tạm thời
(Temporary immersion system- TIS) là hệ thống nuôi cấy nghiêng và hệ thống nuôi cấy
Rocker vào năm 1983; ít lâu sau, vào năm 1985 Tesserat và Vandercook đã thiết kế một
hệ thống nuôi cấy tự động APCS, đây là hệ thống có thể thây thế được môi trường và có
thể sử dụng trong thời gian dài mà không cần cấy chuyền. Nuôi cấy bằng Bioreactor là

một trong những phương pháp đầy hứa hẹn cho nhân giống với số lượng lớn tế bào, phôi
soma hay các đơn vị phát sinh cơ quan (củ, chồi, ), và sản xuất các hoạt chất trao đổi
thứ cấp bằng cách sử dụng tế bào thực vật.
Mỗi hệ thống có những ưu nhược điểm riêng nhưng tất cả đều mang lại một số
thành công bước đầu trong việc tạo ra một số sản phẩm. Trong những năm gần đây, hệ
thống đã được phổ biến rộng, nhưng cũng chỉ mới ở các công ty đa quốc gia hoặc nghiên
cứu cơ bản tại các phòng nghiệm và hệ thống này được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực
khác nhau như nhân giống cây trồng, y học và đạt một số kết quả nhất định. Một công
ty tai Đức, Diversa, đã trang bị đến năm hệ thống Bioreactor có dung tích đến 75.000 L
để nuôi cấy tế bào thực vật. Tuy nhiên, những chi tiết cụ thể về hệ thống Bioreactor đó
không được tiết lộ, theo hình ảnh trưng bày cho thấy hệ thống của họ có hình dáng trông
giống hệ thống lên men vi khuẩn bình thường. Công ty đó đã nuôi cấy tế bào Echinacea
purpurea ở quy mô lớn để sản xuất hợp chất có hoạt tính miễn dịch sinh học là
polysaccharide.[15]
2. MỘT SỐ HỆ THỐNG BIOREACTOR
2.1. Cấu tạo chung
Bioreactor là hệ thống có cấu tạo tương đối giống với hệ thống fermentor trong
nuôi cấy vi sinh vật. Cấu trúc bên trong của Bioreactor cũng chứa các thành phần như bộ
điều chỉnh nhiệt độ - pH, thùng chứa dung dịch dinh dưỡng, hệ thống cung cấp không
khí, hệ thống cánh khuấy (trong một số thiết bị được thay bằng bộ sục khí nén từ dưới
lên) Nguyên tắc hoạt động của từng thiết bị phụ thuộc vào từng công nghệ sản xuất. Về
sau, để tăng khả năng ứng dụng của hệ thống này trong nuôi cấy, người ta đã đưa ra một
số mô hình cải tiến như các hệ thống ngập chìm tạm thời (TIS). Hệ thống này hoạt động
trên nguyên tắc ngập chìm không hoàn toàn, mà được điều chỉnh thời gian ngập bằng tự
động.
2.2. Phân loại
Hệ thống Bioreactor có rất nhiều kiểu, nhưng trong giới hạn bài viết tôi chỉ đưa ra
hai hệ thống nuôi cấy được sử dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu cũng như trong sản
xuất là hệ thống Bioreactor kiểu Air-lift và hệ thống nuôi cấy ngập chìm tạm thời.
2.2.1. Bioreactor không có cánh khuấy
Đây là kiểu Bioreactor đơn giản, được thiết kế với một bộ phận sủi bột khí ở phí
dưới đáy bình, nó có tác dụng khuấy trộn môi trường và cung cấp oxygen và lượng
oxygen cung cấp ảnh hưởng đến sự phát triển của đối tượng. Theo Hiroyuki Honda,
callus của cây nho phát triển tốt nhất ở dòng khí cung cấp là 80 ml/phút, và góp phần làm
tăng lượng anthocyanin trong nuôi cấy [11].
Loại này khắc phục được hai nhược điểm của Bioreactor có cánh khuấy là: ít ốn
năng lượng cho khuấy trộn môi trường và ít gây ra lực xé rách các tế bào nhờ những dòng