Lời nói đầu
Công nghệ tế bào là một bộ phận quan trọng của công nghệ sinh học,
chủ yếu nghiên cứu các quá trình nuôi cấy tế bào động-thực vật và vi sinh
vật để sản xuất sinh khối, sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học
(enzyme, vaccine, các chất thứ cấp…), để làm mô hình thực nghiệm khảo
sát các tác động của hoá chất, làm nguyên liệu ghép tế bào và cơ quan…
Mặc dù, các kỹ thuật nuôi cấy tế bào chỉ được phát triển vào nửa đầu
thế kỷ 20, nhưng đến nay các ứng dụng của chúng đã có những bước tiến
vượt bậc nhờ sự đóng góp của công nghệ DNA tái tổ hợp.
Bên cạnh các giáo trình như: sinh học phân tử, nhập môn công nghệ
sinh học, công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ chuyển gen… giáo trình
công nghệ tế bào sẽ giúp sinh viên tiếp cận thêm một lĩnh vực khác của
công nghệ sinh học thông qua việc cung cấp những kiến thức cơ bản về các
vấn đề sau:
- Sinh trưởng và động học sinh trưởng của tế bào.
- Thiết kế các hệ lên men.
- Nuôi cấy tế bào và các ứng dụng của chúng.
Giáo trình công nghệ tế bào được biên soạn theo hướng khảo sát một
quá trình sinh học mang tính công nghệ nhiều hơn cả đó là quá trình lên
men ứng dụng cho cả tế bào vi sinh vật, lẫn tế bào động-thực vật trong các
thiết bị nuôi cấy (bioreactor/fermenter). Do đó, một số ứng dụng khác của
các kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào nói chung chúng tôi không đưa vào giáo
trình này.
Lĩnh vực công nghệ tế bào rất rộng và đa dạng, hơn nữa giáo trình này
mới được xuất bản lần đầu tiên nên khó tránh khỏi thiếu sót hoặc chưa đáp
ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý
kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn.
Tác giả
Chương 1
Mở đầu
I. Công nghệ sinh học
Đến nay có rất nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về
công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả và tổ chức. Tuy nhiên, công
nghệ sinh học (biotechnology) có thể được định nghĩa một cách tổng quát
như sau:
“Công nghệ sinh học là các quá trình sản xuất ở quy mô công
nghiệp mà nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi
sinh vật, thực vật và động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt
động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ”.
Nếu công nghệ sinh học được định nghĩa theo hướng trên thì nó
không thể được thừa nhận là một lĩnh vực khoa học mới. Bởi vì, từ xa
xưa loài người đã biết sử dụng các vi sinh vật để lên men bánh mì và
thực phẩm, cho dù họ không biết cơ chế của những biến đổi sinh học này
là như thế nào. Loài người cũng đã biết từ rất lâu việc lai tạo động vật và
thực vật để cải thiện năng suất vật nuôi và cây trồng được tốt hơn. Vì thế,
công nghệ sinh học được định nghĩa như trên được xem như công nghệ
sinh học truyền thống.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ công nghệ sinh học
thường được sử dụng nhằm đề cập đến những kỹ thuật mới như DNA tái
tổ hợp và dung hợp tế bào, và được xem là lĩnh vực công nghệ sinh học
hiện đại.
1. Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology)
Là những kỹ thuật cho phép thao tác trực tiếp nguyên liệu di truyền
của các tế bào riêng biệt, có thể được sử dụng để phát triển các vi sinh
vật sản xuất các sản phẩm mới cũng như các cơ thể hữu ích khác. Những
kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật di truyền (genetic engineering),
công nghệ di truyền (genetic technology), thao tác gen (gene
manipulation), kỹ thuật gen (gene engineering) hay công nghệ gen (gene
Công nghệ tế bào 2
technology)... Mục tiêu chính của công nghệ DNA tái tổ hợp là gắn một
gen ngoại lai (foreign gene) mã hóa cho một sản phẩm mong muốn vào
trong các dạng DNA mạch vòng (plasmid vector) và sau đó đưa chúng
vào trong một cơ thể vật chủ, sao cho gen ngoại lai có thể biểu hiện để
sản xuất sản phẩm của nó từ cơ thể này.
2. Dung hợp tế bào (cell fusion)
Là quá trình hình thành một tế bào lai đơn (single hybrid cell) với
nhân và tế bào chất từ hai loại tế bào riêng biệt để tổ hợp các đặc điểm
mong muốn của cả hai loại tế bào này. Chẳng hạn, các tế bào đặc biệt của
hệ thống miễn dịch có thể sản xuất ra các kháng thể hữu ích. Tuy nhiên,
các tế bào này thường khó nuôi cấy vì tốc độ sinh trưởng của chúng rất
chậm. Mặt khác, các tế bào khối u nhất định nào đó có các đặc điểm bất
tử và phân chia nhanh. Bằng cách dung hợp hai tế bào này, một tế bào lai
hybridoma có thể được tạo ra mang cả hai tính trạng trên. Các kháng thể
đơn dòng (monoclonal antibodies-Mabs) được sản xuất từ các tế bào lai,
được dùng để chẩn đoán, điều trị bệnh và tinh sạch protein.
3. Ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại
Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại là rất nhiều (Bảng
1.1). Các dược phẩm hiếm và đắt triền trước đây như insulin để chữa
bệnh đái tháo đường, hormone sinh trưởng người để điều trị bệnh còi của
trẻ em, interferon để chống viêm nhiễm, vaccine phòng bệnh và các
kháng thể đơn dòng dùng để chẩn đoán... có thể được sản xuất bằng các
tế bào được biến đổi di truyền hoặc các tế bào lai rẻ tiền với số lượng
lớn. Các con giống sạch bệnh hoặc khoẻ mạnh hơn, các vật nuôi dùng
làm thực phẩm có sản lượng cao có thể được phát triển, các loài cây
trồng quan trọng có thể được biến đổi di truyền để có các tính trạng
chống chịu stress, chống chịu chất diệt cỏ và kháng côn trùng. Hơn nữa,
công nghệ DNA tái tổ hợp có thể được ứng dụng để phát triển các vi sinh
vật được biến đổi di truyền (genetically modification) sao cho chúng có
thể sản xuất các hợp chất hóa học khác nhau với sản lượng cao hơn các
vi sinh vật bình thường.
Công nghệ tế bào 3
Bảng 1.1. Các ứng dụng của công nghệ sinh học hiện đại.
Lĩnh vực Các sản phẩm hoặc các ứng dụng
Dược phẩm Kháng sinh, kháng nguyên (kích thích các đáp ứng
kháng thể), endorphin (chất dẫn truyền thần kinh), γ-
globulin (ngăn cản sự viêm nhiễm), hormone sinh
trưởng người (điều trị trẻ em bị bệnh còi), albumin
huyết thanh người (điều trị chấn thương cơ thể), các
nhân tố điều hòa miễn dịch, insulin, interferon (điều trị
bệnh viêm nhiễm), interleukin (điều trị các bệnh nhiễm
trùng và ung thư), lymphokine (phản ứng miễn dịch
điều chỉnh), kháng thể đơn dòng (chẩn đoán hoặc phân
phối thuốc), peptide hoạt hóa thần kinh (bắt chước các
peptide điều khiển sự đau của cơ thể), các nhân tố hoạt
hóa plasminogen của mô (hòa tan các cục máu đông),
vaccine.
Chăn nuôi-Thú y Phát triển các con giống sạch bệnh và mạnh khoẻ hơn,
các gia súc cho thịt có sản lượng cao hơn.
Trồng trọt Chuyển các tính trạng chống chịu stress, kháng côn
trùng và chất diệt cỏ vào các loài cây trồng, phát triển
các giống cây trồng có khả năng tăng quá trình quang
hợp và cố định đạm, phát triển các thuốc trừ sâu sinh
học và các vi khuẩn nhân không đóng băng (non-ice
nucleating).
Các hóa chất đặc
biệt
Các amino acid, enzyme, vitamin, lipid, các chất thơm
được hydroxyl hóa, các polymer sinh học.
Các ứng dụng môi
trường
Ngâm chiết khoáng, cô đặc kim loại, kiểm soát sự ô
nhiễm, phân hủy chất thải độc và thu hồi dầu loang.
Các hóa chất
thương mại
Acetic acid, acetone, butanol, ethanol, nhiều sản phẩm
khác từ các quá trình biến đổi sinh khối.
Điện tử sinh học Biosensor, biochip.
Công nghệ tế bào 4
II. Công nghệ tế bào
Các công nghệ DNA tái tổ hợp hoặc dung hợp tế bào được khởi đầu
bởi những nghiên cứu thuần túy và các kết quả cuối cùng có thể phát triển
thành một loại tế bào mới có thể sản xuất sản phẩm với số lượng ít ỏi ở qui
mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả nói trên lại rất có ý nghĩa
thương mại và vì thế nó đòi hỏi phải phát triển thành quy trình công nghiệp
với một công nghệ khả thi và có hiệu quả kinh tế. Để phát triển một quá
trình sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm thành một quy trình công nghiệp
lớn, chúng ta không thể chỉ đơn thuần tăng kích thước của bình nuôi cấy
(vessel) lên.
Ví dụ: Ở quy mô phòng thí nghiệm là 100 mL, một bình tam giác nhỏ
nuôi trên một máy lắc là phương thức lý tưởng để nuôi cấy tế bào. Nhưng
đối với hoạt động ở quy mô lớn 2.000 L, chúng ta không thể sử dụng một
bình nuôi khác có thể tích lớn hơn và lắc nó, mà cần phải thiết kế một hệ lên
men (fermenter) hay còn gọi là nồi phản ứng sinh học (bioreactor) hiệu quả
để nuôi cấy tế bào trong những điều kiện tối ưu nhất. Vì thế, công nghệ tế
bào (một trong những lĩnh vực chính của công nghệ sinh học) có vai trò rất
quan trọng trong thương mại hóa các sản phẩm của nó.
Để minh họa vai trò của công nghệ tế bào, có thể xem một quá trình
sinh học đặc trưng bao gồm các tế bào vi khuẩn như trình bày ở hình 1.1.
Các nguyên liệu thô (thường là sinh khối) được xử lý và trộn với các thành
phần cần thiết khác để tế bào có thể sinh trưởng tốt trong một hỗn hợp dịch
lỏng, môi trường nuôi cấy được khử trùng để loại bỏ tất cả các cơ thể sống
và đưa vào bình nuôi cấy hình trụ lớn, thiết bị đặc trưng với cánh khuấy,
vách ngăn, hệ thống thông khí và các bộ phận cảm biến để điều chỉnh các
điều kiện lên men. Một chủng vi sinh vật thuần khiết được đưa vào trong
một bình nuôi cấy. Các tế bào khởi đầu sinh sản theo hàm mũ sau một thời
gian nhất định của pha lag và đạt tới nồng độ tế bào cực đại khi môi trường
đã bị sử dụng hết. Sự lên men sẽ dừng lại và các thành phần sẽ được hút ra
để thu hồi sản phẩm và tinh sạch chúng. Quá trình này được hoạt động theo
kiểu lên men mẻ (batch culture) hoặc liên tục (continuous culture).
Khi tiến hành một quá trình sinh học (bioprocessing) trên quy mô lớn
cần lưu ý:
- Phải thu được các chất xúc tác sinh học tốt nhất (vi sinh vật, tế bào
động vật, tế bào thực vật, hoặc enzyme) cho một quá trình mong muốn.
Công nghệ tế bào 5