Chương 5
Nuôi cấy tế bào vi sinh vật
Mặc dù cho đến thế kỷ 19 vai trò của vi sinh vật trong những biến đổi
sinh học vẫn không được thừa nhận, nhưng con người đã sử dụng vi sinh vật
từ rất lâu trong việc chế biến thực phẩm, thức uống có cồn, sản xuất sữa, dệt
vải... Ngày nay, việc sử dụng vi sinh vật rộng rãi hơn trước đây rất nhiều.
Chúng không chỉ được dùng trong các quá trình vi sinh vật truyền thống mà
còn cho các quá trình mới như sản xuất dược phẩm, hóa chất công nghiệp,
enzyme, hóa chất nông nghiệp, xử lý nước thải, lọc khoáng và các công
nghệ DNA tái tổ hợp. Chương này chỉ tập trung giới thiệu các ứng dụng của
nuôi cấy tế bào vi sinh vật trong sản xuất dược phẩm (đặc biệt là dược phẩm
DNA tái tổ hợp) và sản xuất enzyme.
I. Tế bào vi sinh vật
Tất cả các cơ thể sống được Haekel (1866) phân loại thành giới động
vật (animal kingdom), giới thực vật (plant kingdom) và sinh vật đơn bào
(protist) như trình bày trong bảng 5.1.
Các protist được xem là các cơ thể sống tương đối đơn giản so với
thực vật và động vật. Chúng bao gồm tảo, động vật nguyên sinh, nấm và vi
khuẩn. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đã cho phép các nhà khoa học
thừa nhận rằng cấu trúc đơn vị của tất cả các cơ thể sống được phân chia
trong hai loại: sinh vật tiền nhân (prokaryotes) và sinh vật nhân thật
(eukaryotes).
Các tế bào tiền nhân là đơn vị cấu trúc trong hai nhóm vi sinh vật: vi
khuẩn và tảo lam (còn gọi là vi khuẩn lam-cyanobacteria). Các tế bào tiền
nhân có kích thước nhỏ và đơn giản như trình bày ở hình 5.1, nó không
được chia thành ngăn bởi các hệ thống màng đơn vị (unit membrane
systems). Các tế bào chỉ có hai vùng bên trong được phân biệt cấu trúc là: tế
bào chất và vùng nhân (hoặc dịch nhân). Tế bào chất có các chấm dạng hạt
màu tối chính là thành phần ribosome, bao gồm protein và ribonucleic acid
(RNA). Ribosome là nơi xảy ra các phản ứng hóa sinh quan trọng cho sự
tổng hợp protein. Vùng nhân có dạng không đều, rất biệt lập mặc dù nó
không được giới hạn bởi màng. Vùng nhân chứa deoxyribonucleotic acid
Công nghệ tế bào 58
(DNA) mang thông tin di truyền xác định sự sản xuất protein và các chất
khác của tế bào cũng như xác định các cấu trúc của nó.
Bảng 5.1. Phân loại các cơ thể sống.
Động vật
Đa bào
Thực vật
Nhân thật1
Tảo (Algae)
Động vật nguyên sinh (Protozoa)
Nấm (Fungi)
Nấm mốc (Molds)
Nấm men (Yeasts)
Nhân thật
Đơn bào Sinh vật đơn
bào2
Vi khuẩn (Bacteria) Tiền nhân3
Thành tế bào
Màng tế bào
Ribosome
Vùng nhân
T
ế bào chấ
t
Hình 5.1. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật tiền nhân.
Các tế bào prokaryote được bao quanh bởi thành tế bào (cell wall) và
màng tế bào (cell membrane), thành tế bào thường dày hơn màng tế bào,
bảo vệ tế bào khỏi các ảnh hưởng từ bên ngoài. Màng tế bào (hoặc màng tế
bào chất) là một hàng rào chọn lọc giữa phần bên trong tế bào và môi
1 Nhân thật: còn gọi là nhân chuẩn.
2 Sinh vật đơn bào: còn gọi là sinh vật nguyên sinh.
3 Tiền nhân: còn gọi là nhân sơ.
Công nghệ tế bào 59
trường bên ngoài. Các phân tử lớn nhất được biết đã đi qua màng này là các
đoạn DNA và các protein có trọng lượng phân tử thấp. Màng tế bào có thể
được gấp lại và mở rộng trong tế bào chất. Màng tế bào như là bề mặt mà
trên đó các chất khác của tế bào được gắn vào và giữ nhiều chức năng quan
trọng của tế bào.
Màng tế bào
Lysosome
T
ế bào chấ
t
Màng nhân
Hạch nhân Nhân
Nhiễm sắc thể
Khôn
g
bào Lưới nội sinh chấ
t
T
y th
ể
Ribosome
Hình 5.2. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật nhân thật.
Các tế bào eukaryote phức tạp hơn, chúng là cấu trúc đơn vị ở động
vật, thực vật, protozoa, nấm và tảo. Tế bào eukaryote có các hệ thống màng
đơn vị bên trong để tách biệt nhiều thành phần chức năng của tế bào như
trình bày ở hình 5.2. Các tế bào eukaryote lớn hơn và phức tạp hơn các tế
bào prokaryote từ 1.000-10.000 lần. Nhân được bao bọc chung quanh bởi
một màng đôi có các lỗ nhỏ rộng từ 40-70 µm, bên trong nhân chứa các
nhiễm sắc thể. Nhân điều hòa các tính chất di truyền và tất cả các hoạt động
sống của tế bào. Nhiễm sắc thể dài và là các thể sợi mảnh, chứa các gen sắp
xếp trên một chuỗi mạch thẳng trong các nucleoprotein (protein cộng
nucleic acid). Tế bào chất chứa một số lớn các hạt gọi là ribosome cần thiết
trong các phản ứng liên tục để tổng hợp các nguyên liệu tế bào. Ribosome
được tập trung một cách đặc biệt dọc theo bề mặt xù xì của lưới nội sinh
chất, một mạng lưới không đều của các kênh nối liền nhau được phân định
với màng. Ty thể chứa các enzyme vận chuyển điện tử sử dụng oxygen
trong quá trình sản sinh ra năng lượng. Không bào và lysosome là các cơ
quan tử giúp cách ly các phản ứng hóa học khác nhau trong tế bào.
Công nghệ tế bào 60
II. Vi khuẩn
1. Hình dạng
Vi khuẩn là những cơ thể sống đơn bào có kích thước hiển vi. Hiện
nay, người ta đã biết được khoảng 1.500 loài trong tất cả môi trường tự
nhiên. Đường kính đặc trưng của tế bào vi khuẩn trong khoảng 0,5-1 µm.
Chiều dài của vi khuẩn rất khác nhau. Vi khuẩn xuất hiện trong các dạng
như sau: cocci (có dạng hình cầu hoặc hình trứng), bacilli (có dạng hình trụ
hoặc hình que), spirilla (có dạng cuộn xoắn ốc).
2. Kiểu sinh trưởng
Vi khuẩn sinh sản chủ yếu theo phương thức phân đôi (binary fission)
như được minh họa trong hình 5.3. Quá trình này bao gồm một số bước sau:
kéo dài tế bào, lõm vào của thành tế bào, phân phối nguyên liệu của nhân,
bắt đầu hình thành một vách ngăn ngang, phân phối nguyên liệu tế bào vào
trong hai tế bào, và phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình sinh
sản vô tính.
3. Các điều kiện vật lý ảnh hưởng đến sinh trưởng
Ba nhân tố vật lý chủ yếu ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn là
nhiệt độ, oxygen và độ pH.
Do sự sinh trưởng và hoạt tính của vi khuẩn biểu thị sự hoạt động của
enzyme, và do tốc độ của các phản ứng enzyme tăng lên cùng với việc tăng
nhiệt độ, cho nên tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ mà chúng sinh trưởng, vi khuẩn sẽ được gọi
là psychrophiles4, mesophiles5 hoặc thermophiles6. Phạm vi nhiệt độ mà
mỗi nhóm có khả năng sinh trưởng và nhiệt độ tối ưu được trình bày trong
bảng 5.2.
Các khí quan trọng chủ yếu trong nuôi cấy vi khuẩn là oxygen và
CO2. Có thể chia ra bốn loại vi khuẩn tùy theo sự phản ứng của chúng đối
với oxygen như sau:
- Vi khuẩn hiếu khí sinh trưởng trong sự có mặt của oxygen tự do.
- Vi khuẩn kỵ khí sinh trưởng trong điều kiện không có oxygen tự do.
4 Psychrophiles: vi khuẩn ưa lạnh (dưới -20oC).
5 Mesophiles: vi khuẩn ưa nhiệt trung bình.
6 Thermophiles: vi khuẩn ưa nhiệt độ cao.
Công nghệ tế bào 61
- Vi khuẩn kỵ khí tùy ý sinh trưởng trong điều kiện có oxygen tự do
hoặc không.
- Vi khuẩn ưa ít oxygen sinh trưởng trong sự có mặt một lượng rất ít
oxy tự do.
Hình 5.3. Vi khuẩn sinh sản bằng cách phân đôi.
Bảng 5.2. Phạm vi nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng của các loại vi khuẩn khác
nhau.
Loại vi khuẩn Phạm vi nhiệt độ cho
sinh trưởng
Nhiệt độ tối ưu
Psychrophiles -7 ~ 35oC 20 ~ 30oC
Mesophiles 7 ~ 45oC 30 ~ 40oC
Thermophiles 40 ~ 75oC 45 ~ 60oC
Đối với hầu hết vi khuẩn, độ pH tối ưu cho sinh trưởng nằm trong
khoảng 6,5-7,5. Mặc dù, một vài vi khuẩn có thể sinh trưởng ở phạm vi pH
cực đoan, nhưng ở hầu hết các loài giới hạn cực đại và cực tiểu nằm trong
khoảng giữa pH 4 và pH 9.
III. Vi nấm
Nấm nói chung là các thực vật không có chlorophyll và vì thế không
thể tự tổng hợp các chất dinh dưỡng cho chúng. Chúng rất khác nhau về
kích thước và hình dạng, từ nấm men đơn bào (single-cell yeast) đến nấm ăn
đa bào (multicellular mushroom). Trong số chúng, nấm men và nấm mốc là
những loại nấm công nghiệp quan trọng.
Công nghệ tế bào 62