Vai trò công ngh t bào trong công ngh sinh h cệ ế ệ ọ
I. KHÁI NI M CÔNG NGH SINH H CỆ Ệ Ọ
Có nhi u đ nh nghĩa và cách di n đ t khác nhau v công ngh sinh h c tùyề ị ễ ạ ề ệ ọ
theo t ng tác gi , nh ng t t c đ u th ng nh t v khái ni m c b n sau đây: Côngừ ả ư ấ ả ề ố ấ ề ệ ơ ả
ngh sinh h c là quá trình s n xu t các s n ph m trên quy mô công nghi p, trong đóệ ọ ả ấ ả ẩ ệ
nhân t tham gia tr c ti p và quy t đ nh là các t bào s ng (vi sinh v t, th c v t,ố ự ế ế ị ế ố ậ ự ậ
đ ng v t). M i t bào s ng c a c th sinh v t ho t đ ng trong lĩnh v c s n xu tộ ậ ỗ ế ố ủ ơ ể ậ ạ ộ ự ả ấ
này đ c xem nh m t lò ph n ng nh .ượ ư ộ ả ứ ỏ
Đ u nh ng năm 1980, đã b t đ u hình thành công ngh sinh h c hi n đ i làầ ữ ắ ầ ệ ọ ệ ạ
lĩnh v c công nghi p s d ng ho t đ ng sinh h c c a các t bào đã đ c bi n đ iự ệ ử ụ ạ ộ ọ ủ ế ượ ế ổ
di truy n. Công ngh sinh h c hi n đ i ra đ i cùng v i s xu t hi n k thu t gen.ề ệ ọ ệ ạ ờ ớ ự ấ ệ ỹ ậ
C s sinh h c đ c áp d ng đây bao g m sinh h c phân t , sinh h c t bào, hóaơ ở ọ ượ ụ ở ồ ọ ử ọ ế
sinh h c, di truy n h c, vi sinh v t h c, mi n d ch h c, cùng các nguyên lý k thu tọ ề ọ ậ ọ ễ ị ọ ỹ ậ
máy tính... Có hai cách đ nh nghĩa công ngh sinh h c m t cách t ng quát nh t:ị ệ ọ ộ ổ ấ
- Do UNESCO (1985) đ nh nghĩa: Công ngh sinh h c là công ngh s d ng m t bị ệ ọ ệ ử ụ ộ ộ
ph n hay t bào riêng r c a c th sinh v t vào vi c khai thác s n ph m c a chúng.ậ ế ẽ ủ ơ ể ậ ệ ả ẩ ủ
- Do Tr ng Lu t Stanford (1995) đ nh nghĩa: Công ngh sinh h c là công nghườ ậ ị ệ ọ ệ
chuy n m t hay nhi u gen vào sinh v t ch nh m m c đích khai thác s n ph m vàể ộ ề ậ ủ ằ ụ ả ẩ
ch c năng c a gen đó. ứ ủ
S khác bi t rõ r t nh t c a hai đ nh nghĩa trên thu c v đ i t ng tác đ ngự ệ ệ ấ ủ ị ộ ề ố ượ ộ
c a công ngh sinh h c: UNESCO xem c quan, b ph n, t bào và ch c năng riêngủ ệ ọ ơ ộ ậ ế ứ
r c a sinh v t là đ i t ng, trong khi đó Tr ng Lu t Stanford l i coi gen là đ iẽ ủ ậ ố ượ ườ ậ ạ ố
t ng tác đ ng c a công ngh . T các đ nh nghĩa trên, có th phân bi t đ c haiượ ộ ủ ệ ừ ị ể ệ ượ
nhóm công ngh sinh h c là:ệ ọ
1. Công ngh sinh h c truy n th ngệ ọ ề ố (traditional biotechnology)
Bao g mồ:
+ Th c ph m lên men truy n th ng (food of traditional fermentations) ự ẩ ề ố
+ Công ngh lên men vi sinh v t (microbial fermentation technology) ệ ậ
+ S n xu t phân bón và thu c tr sâu vi sinh v t (production of microbial fertilizerả ấ ố ừ ậ
and pesticide)
+ S n xu t sinh kh i giàu protein (protein-rich biomass production) ả ấ ố
+ Nhân gi ng vô tính b ng nuôi c y mô và t bào th c v t (plant micropropagation) ố ằ ấ ế ự ậ
+ Th tinh nhân t o (ụ ạ in vitro fertilization)
2. Công ngh sinh h c hi n đ iệ ọ ệ ạ (modern biotechnology)
Bao g mồ:
+ Nghiên c u genome (genomics) ứ
+ Nghiên c u proteome (proteomics) ứ
+ Th c v t và đ ng v t chuy n gen (transgenic animal and plant) ự ậ ộ ậ ể
+ Đ ng v t nhân b n (animal cloning) ộ ậ ả
1
+ Chip DNA (DNA chip)
+ Li u pháp t bào và gen (gene and cell therapy) ệ ế
+ Protein bi t d c (therapeutic protein) ệ ượ
+ Tin sinh h c (bioinformatics) ọ
+ Công ngh sinh h c nano (nanobiotechnology) ệ ọ
+ Ho t ch t sinh h c (bioactive compounds).ạ ấ ọ
II. KHÁI NI M CÔNG NGH T BÀOỆ Ệ Ế
Công ngh t bào là m t b ph n quan tr ng c a công ngh sinh h c, chệ ế ộ ộ ậ ọ ủ ệ ọ ủ
y u nghiên c u các quá trình nuôi c y t bào đ ng - th c v t và vi sinh v t đ s nế ứ ấ ế ộ ự ậ ậ ể ả
xu t sinh kh i, s n xu t các h p ch t có ho t tính sinh h c (enzyme, vaccine, cácấ ố ả ấ ợ ấ ạ ọ
ch t th c p…).ấ ứ ấ
M c dù, các k thu t nuôi c y t bào ch đ c phát tri n vào n a đ u th kặ ỹ ậ ấ ế ỉ ượ ể ử ầ ế ỷ
20, nh ng đ n nay các ng d ng c a chúng đã có nh ng b c ti n v t b c nh sư ế ứ ụ ủ ữ ướ ế ượ ậ ờ ự
đóng góp c a công ngh DNA tái t h p.ủ ệ ổ ợ
Công ngh t bào bao g m:ệ ế ồ
- Công ngh t bào th c v t.ệ ế ự ậ
- Công ngh t bào đ ng v t.ệ ế ộ ậ
- Công ngh t bào vi sinh v t.ệ ế ậ
III. VAI TRÒ CÔNG NGH T BÀO TRONG CÔNG NGH SINH H CỆ Ế Ệ Ọ
1. Công ngh t bào trong công ngh genệ ế ệ
1.1. C s khoa h c c a công ngh gen ơ ở ọ ủ ệ
D a vào đ c đi m ho t đ ng c a genự ặ ể ạ ộ ủ
- Gen mã hóa protein theo mã b ba ộ bi u hi n tính tr ng.ể ệ ạ
+ Thay đ i gen ổ thay đ i tính tr ng.ổ ạ
+ S d ng gen đ bi u hi n ử ụ ể ể ệ s n xu t các ch ph m.ả ấ ế ẩ
- Gen là m t đo n c a ADNộ ạ ủ
+ Có th c t r i nh enzim c t liêt k t phosphodiester (RE).ể ắ ờ ờ ắ ế
+ Gen là m t th c th có th ho t đ ng đ c l p.ộ ự ể ể ạ ộ ộ ậ
+ Có kh năng di chuy n vào t bào l nh công c .ả ể ế ạ ờ ụ
- Ho t đ ng c a genạ ộ ủ
+ Gen chuy n vào t bào l ể ế ạ gen bi u hi n đ c và h gen t bào l không b nhể ệ ượ ệ ế ạ ị ả
h ng.ưở
D a vào tính toàn năng c a t bàoự ủ ế
M t t bào đã chuyên hóa ch a m t l ng thông tin di truy n (b ADN)ộ ế ứ ộ ượ ề ộ
t ng đ ng v i m t c th tr ng thành, đ trong đi u ki n nh t đ nh t bào đóươ ươ ớ ộ ơ ể ưở ể ề ệ ấ ị ế
có th phát tri n thành m t c th hoàn ch nh. ể ể ộ ơ ể ỉ
2
1.3. Vai trò công ngh t bào trong công ngh genệ ế ệ
Tùy vào đ i t ng nh n gen là t bào th c v t, t bào đ ng v t hay vi sinhố ượ ậ ế ự ậ ế ộ ậ
v t mà vai trò c a công ngh t bào th hi n khác nhau. ậ ủ ệ ế ể ệ
Trong công ngh gen vai trò c a công ngh t bào th hi n khâu nuôi c yệ ủ ệ ế ể ệ ở ấ
t bào.ế
1.3.1. Nuôi c y t bào th c v tấ ế ự ậ
Sau khi th c hi n các b c c a quá trình chuy n gen: xác đ nh gen liên quanự ệ ướ ủ ể ị
đ n tính tr ng c n quan tâm; phân l p gen (PCR ho c sàng l c t th vi n cDNAế ạ ầ ậ ặ ọ ừ ư ệ
ho c t th vi n genomic DNA); g n gen vào vector bi u hi n (expression vector)ặ ừ ư ệ ắ ể ệ
đ bi n n p; bi n n p vào ể ế ạ ế ạ E. coli; tách chi t DNA plasmid; thì bi n n p vào môế ế ạ
ho c t bào th c v t b ng m t trong các ph ng pháp khác nhau. Ch ng h n sặ ế ự ậ ằ ộ ươ ẳ ạ ử
d ng ph ng pháp xung đi n, đây t bào đ c đ t trong m t xung đi n ng n,ụ ươ ệ ở ế ượ ặ ở ộ ệ ắ
xung đi n này có th làm xu t hi n nh ng l t m th i trên màng t bào, nh ngệ ể ấ ệ ữ ỗ ạ ờ ở ế ữ
phân t DNA có th đi vào bên trong t bào. Sau khi bi n n p ng i ta tách nh ngử ể ế ế ạ ườ ữ
enzyme phân gi i và đ cho t bào phát tri n, thành t bào m i đ c t o nên. Các tả ể ế ể ế ớ ượ ạ ế
bào bi n n p này đ c nuôi c y trên các môi tr ng nhân t o thích h p cùng v i cácế ạ ượ ấ ườ ạ ợ ớ
ch t kích thích sinh tr ng đ t o nên cây hoàn ch nh. Sau đó b ng các ph ng phápấ ưở ể ạ ỉ ằ ươ
phân tích genome nh PCR, Southern blot, Northern blot đ c th c hi n đ tìm raư ượ ự ệ ể
chính xác nh ng cây bi n đ i gen.ữ ế ổ
Bên c nh các ph ng pháp bi n n p ạ ươ ế ạ Agrobacterium ho c xung đi n, hi n nayặ ệ ệ
có hai ph ng pháp khác cũng th ng đ c s d ng đ đ a DNA vào trong t bào.ươ ườ ượ ử ụ ể ư ế
Ph ng pháp th nh t là vi tiêm: v i m t cái pipet r t nh ng i ta có th đ a cácươ ứ ấ ớ ộ ấ ỏ ườ ể ư
phân t DNA tr c ti p vào nhân t bào mà ng i ta mu n bi n n p. Ph ng phápử ự ế ế ườ ố ế ạ ươ
này đ u tiên ch đ c s d ng t bào đ ng v t, nh ng sau này ng i ta đã sầ ỉ ượ ử ụ ở ế ộ ậ ư ườ ử
d ng cho t bào th c v t. Ph ng pháp th hai là b n vào t bào các vi đ nụ ế ự ậ ươ ứ ắ ế ạ
(microprojectile), th ng b ng vàng ho c wolfram, đ c bao b c b i DNA. Ph ngườ ằ ặ ượ ọ ở ươ
pháp này đ c g i là phi sinh h c và đ c s d ng thành công nhi u lo i t bàoượ ọ ọ ượ ử ụ ở ề ạ ế
khác nhau.
th c v t chuy n gen, s n ph m cu i cùng th ng không ph i là t bàoỞ ự ậ ể ả ẩ ố ườ ả ế
bi n n p, mà là m t c th bi n n p hoàn toàn. Ph n l n th c v t đ c tái sinh dế ạ ộ ơ ể ế ạ ầ ớ ự ậ ượ ễ
dàng b ng nuôi c y mô t bào. Tuy nhiên, tái sinh cây m t lá m m nh ngũ c c vàằ ấ ế ộ ầ ư ố
các lo i c khác cũng g p m t vài khó khăn. T m t t bào bi n n p duy nh t ng iạ ỏ ặ ộ ừ ộ ế ế ạ ấ ườ
ta có th t o ra m t cây chuy n gen, trong đó m i t bào mang DNA ngo i lai và ti pể ạ ộ ể ỗ ế ạ ế
t c chuy n cho th h sau sau khi n hoa và t o h t.ụ ể ế ệ ở ạ ạ
1.3.2. Nuôi c y t bào đ ng v tấ ế ộ ậ
Công ngh t o đ ng v t chuy n gen là m t quá trình ph c t p và nh ngệ ạ ộ ậ ể ộ ứ ạ ở ữ
loài khác nhau có th khác nhau ít nhi u nh ng n i dung c b n g m các b c chínhể ề ư ộ ơ ả ồ ướ
sau: tách chi t, phân l p gen mong mu n và t o t h p gen bi u hi n trong t bàoế ậ ố ạ ổ ợ ể ệ ế
3
đ ng v t; t o c s v t li u bi n n p gen; bi n n p gen vào phôi đ ng v t; nuôiộ ậ ạ ơ ở ậ ệ ế ạ ế ạ ộ ậ
c y phôi và c y truy n h p t (đ i v i đ ng v t b c cao); phân tích đánh giá tính nấ ấ ề ợ ử ố ớ ộ ậ ậ ổ
đ nh và s bi u hi n c a gen l và t o ra dòng đ ng v t chuy n gen g c m t cáchị ự ể ệ ủ ạ ạ ộ ậ ể ố ộ
liên t c, s n xu t đ ng v t chuy n gen.ụ ả ấ ộ ậ ể
T bào tr ng ti n nhân sau khi vi tiêm đ c nuôi c y trong ng nghi m đế ứ ề ượ ấ ố ệ ể
phát tri n đ n giai đo n phôi dâu (morula) ho c túi phôi (blastocyst). giai đo n nàyể ế ạ ặ Ở ạ
màng trong (pellucida) b bong ra và phôi có th làm t đ c d con. Nh ng phôiị ể ổ ượ ở ạ ữ
này đ c c y chuy n vào con nh n đã đ c gây ch a gi (pseudopregnant) đ phátượ ấ ể ậ ượ ử ả ể
tri n thành cá th con.ể ể
Ð i v i đ ng v t b c th p nh cá không c n giai đo n này. Tuy nhiên cá,ố ớ ộ ậ ậ ấ ư ầ ạ ở
tr ng sau khi th tinh màng th c p (chorion) dày lên, r t dai và dính gây tr ng i choứ ụ ứ ấ ấ ở ạ
vi c đ nh v chính xác mũi kim tiêm vào v trí mong mu n đ có th đ a đ c DNAệ ị ị ị ố ể ể ư ượ
vào tr ng. M t khác giai đo n phôi m t t bào cá r t ng n trong khi đó vi c viứ ặ ạ ộ ế ở ấ ắ ệ
tiêm đòi h i nhi u thao tác t m và chính xác. Ð kh c ph c các nh c đi m này,ỏ ề ỉ ỉ ể ắ ụ ượ ể
ng i ta có th ti n hành lo i màng th c p, kéo dài giai đo n phôi 1-4 t bào và pườ ể ế ạ ứ ấ ạ ế ấ
nhân t o phôi tr n đ t o cá b t.ạ ầ ể ạ ộ
Ð kh ng đ nh đ ng v t có đ c chuy n gen l vào hay không, ng i ta ph iể ẳ ị ộ ậ ượ ể ạ ườ ả
ki m tra xem gen l có xâm nh p đ c vào b máy di truy n c a đ ng v t tr ngể ạ ậ ượ ộ ề ủ ộ ậ ưở
thành hay không và s n ph m c a gen l có đ c t ng h p ra hay không.ả ẩ ủ ạ ượ ổ ợ
Ð i v i v n đ th nh t ng i ta s d ng ph ng pháp lai phân t trên phaố ớ ấ ề ứ ấ ườ ử ụ ươ ử
r n (Southern blot, Northern blot...) ho c PCR.ắ ặ
Ð i v i v n đ th hai, s n ph m c a gen l đ c đánh giá hai m c đ :ố ớ ấ ề ứ ả ẩ ủ ạ ượ ở ứ ộ
phiên mã và d ch mã. S n ph m phiên mã đ c đánh giá b ng ph ng pháp RT-PCR,ị ả ẩ ượ ằ ươ
s n ph m d ch mã đ c đánh giá b ng ph ng pháp Western blot, ELISA ho c kả ẩ ị ượ ằ ươ ặ ỹ
thu t mi n d ch phóng x (RIA) đ phát hi n protein l trong đ ng v t.ậ ễ ị ạ ể ệ ạ ộ ậ
Theo dõi các th h sau c a đ ng v t chuy n gen (F1, F2, F3, ...) đ xác đ nh gen lế ệ ủ ộ ậ ể ể ị ạ
có di truy n hay không.ề
Sau khi ki m tra th y gen ngo i lai đã đ c di truy n n đ nh, ti n hành laiể ấ ạ ượ ề ổ ị ế
t o và ch n l c đ t o dòng đ ng v t chuy n gen.ạ ọ ọ ể ạ ộ ậ ể
1.3.3. Nuôi c y t bào vi sinh v tấ ế ậ
S sinh tr ng c a qu n th vi khu n trong môi tr ng dinh d ng nhân t oự ưở ủ ầ ể ẩ ườ ưỡ ạ
đ c g i là nuôi c y (cultivation). M t ki u nuôi c y ch ch a m t lo i vi sinh v tượ ọ ấ ộ ể ấ ỉ ứ ộ ạ ậ
đ c g i là nuôi c y thu n khi t (pure culture). Nuôi c y h n h p (mixed culture) làượ ọ ấ ầ ế ấ ỗ ợ
m t lo i nuôi c y ch a nhi u h n m t lo i vi sinh v t.ộ ạ ấ ứ ề ơ ộ ạ ậ
Các b c c n thi t cho nuôi c y vi sinh v t nh sau:ướ ầ ế ấ ậ ư
- Chu n b môi tr ng nuôi c y cho phép vi sinh v t có th sinh tr ng t t nh t.ẩ ị ườ ấ ậ ể ưở ố ấ
- Kh trùng môi tr ng đ lo i b t t c các c th s ng có trong bình nuôi c y.ử ườ ể ạ ỏ ấ ả ơ ể ố ấ
- C y vi sinh v t vào trong môi tr ng đã chu n b .ấ ậ ườ ẩ ị
4
Hình 2: S đ t o đ ng v t chuy nơ ồ ạ ộ ậ ể
gen
Đ nuôi c y vi sinh v t, môi tr ng nuôi c y ph i đ c chu n b trong nh ngể ấ ậ ườ ấ ả ượ ẩ ị ữ
lo i bình nuôi đ c s d ng ph bi n nh t, ch ng h n ng nghi m, bình tam giác,ạ ượ ử ụ ổ ế ấ ẳ ạ ố ệ
đĩa petri ho c n i lên men. Có hai lo i môi tr ng nuôi c y chính: môi tr ng tặ ồ ạ ườ ấ ườ ự
nhiên (d a trên kinh nghi m) và môi tr ng t ng h p (thành ph n hóa h c xác đ nh).ự ệ ườ ổ ợ ầ ọ ị
Nói chung, các môi tr ng dinh d ng r t khác nhau v hình thái (d ng r n ho cườ ưỡ ấ ề ạ ắ ặ
l ng) và thành ph n, tùy thu c vào lo i vi sinh v t đ c nuôi c y và m c đích nuôiỏ ầ ộ ạ ậ ượ ấ ụ
c y.ấ
Môi tr ng sau đó ph i đ c kh trùng đ lo i b t t c các c th s ngườ ả ượ ử ể ạ ỏ ấ ả ơ ể ố
trong bình ch a môi tr ng. Ph ng pháp kh trùng ph bi n nh t là kh trùng b ngứ ườ ươ ử ổ ế ấ ử ằ
h i n c d i áp su t cao trong n i kh trùng (autoclave).ơ ướ ướ ấ ồ ử
Ti p m u (vi sinh v t) vào bình ch a môi tr ng dinh d ng vô trùng. Sế ẫ ậ ứ ườ ưỡ ự
ti p m u khi nuôi c y trên môi tr ng r n có agar đ c th c hi n b ng que c y cóế ẫ ấ ườ ắ ượ ự ệ ằ ấ
vòng kim lo i đ u (metal wire ho c loop) đ c kh trùng nhanh tr c khi s d ngạ ở ầ ặ ượ ử ướ ử ụ
b ng cách đ t nóng trên đèn c n.ằ ố ồ
C y chuy n trong nuôi c y l ng th ng đ c th c hi n b ng Pasteur pipette.ấ ể ấ ỏ ườ ượ ự ệ ằ
S ti p m u th ng đ c ti n hành trong t c y vô trùng (laminar flow cabinet) đự ế ẫ ườ ượ ế ủ ấ ể
gi m thi u nguy c nhi m b n. ả ể ơ ễ ẩ
Ví d : Ng i ta đã chuy n gen mã hóa tính tr ng s n xu t insulin c a ng iụ ườ ể ạ ả ấ ủ ườ
sang cho E. coli. Vi khu n ẩE. coli tái t h p gen đ c nuôi c y trong n i lên men cóổ ợ ượ ấ ồ
dung tích 1.000 L, sau m t th i gian ng n có th thu đ c 200g insulin, t ng đ ngộ ờ ắ ể ượ ươ ươ
v i l ng insulin chi t rút t 8.000-10.000 con bò.ớ ượ ế ừ
2. Công ngh t bàoệ ế
2.1. Công ngh t bào th c v tệ ế ự ậ
2.1.1. Nuôi c y mô t bàoấ ế
a. C s khoa h cơ ở ọ
- D a vào tính toàn năng c a t bào th c v t.ự ủ ế ự ậ
- Kh năng phân hóa và ph n phân hóa c a t bào th c v t.ả ả ủ ế ự ậ
- S sinh tr ng c a t bào th c v t.ự ưở ủ ế ự ậ
- Vai trò c a ch t đi u hòa sinh tr ngủ ấ ề ưở
b. Quy trình
5
M u v tẫ ậ
Nuôi c y ban đ uấ ầ
(T o callus)ạ
Kh trùngử
T o h t nhân t oạ ạ ạ
T o rạ ễ
T o phôiạ
T o câyạT o ch iạ ồ