Bài giảng môn Sinh học - Công nghệ sinh học hiện đại

Nh÷ng thµnh tùu:c«ng nghÖ sinh häc hiÖn ®¹it¸c gi¶: lª v¨n linh Nh­ chóng ta ®· biÕt “c«ng nghÖ sinh häc” lµ mét ngµnh kh«ng nh÷ng cã øng dông rÊt lớn trong thùc tiÔn ®êi sèng con ng­êi mµ nã cßn gióp chóng ta b¶o vÖ m«i tr­êng ®ang bÞ « nhiÔm nÆng nÒ nh­ hiÖn nay vµ cßn rÊt nhiÒu øng dông quan träng kh¸c mµ con ng­êi ®ang kh¸m ph¸ D­íi ®©y lµ nh÷ng thµnh tùu c«ng nghÖ sinh häc hiÖn ®¹i nhÊt trªn thÕ giíi còng nh­ ë n­íc ta trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y.I. thµnh tùu c«ng nghÖ sinh häc trªn thÕ giíi trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y.1.Biến vi khuẩn E.coli thành nhiên liệu sinh học Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu tại Trường kỹ thuật và khoa học ứng dụng UCLA Henry Samueli đã thành công trong việc đẩy tự nhiên qua khỏi giới hạn của nó qua việc biến đổi Escherichia coli, một loại vi khuẩn thường liên quan đến ngộ độc thức ăn, về mặt di truyền, để tạo ra loại cồn chuỗi dài cần thiết cho việc tạo ra nhiên liệu sinh học.James Liao, giáo sư hóa học và công nghệ sinh học phân tử tại UCLA, cho biết: “Trước đây, chúng tôi đã có thể tổng hợp cồn chuỗi dài chứa 5 nguyên tử cácbon. Chúng tôi dừng tại 5 nguyên tử cácbon, vì đó là những gì có thể đạt được một cách tự nhiên. Cồn chưa hề được tổng hợp với nhiều hơn 5 nguyên tử cácbon trước đây. Hiện nay, chúng tôi đã tìm ra cách để xây dựng protein theo một cách hoàn toàn mới ở E.coli để tạo ra cồn chuỗi dài hơn với 8 nguyên tử cácbon”. 2.Thay đổi đơn giản biến tế bào thành tế bào gốc phôi  So sánh hình ảnh của iPS, tế bào xơ và tế bào gốc phôi   Cuối cùng thì các nhà Sinh học cũng đã mất kiên nhẫn với những thất bại trong cloning. Thành tựu này có thể là hồi chuông cáo chung cho lĩnh vực cloning trị liệu. Việc tạo ra được các con chuột khảm chứng tỏ các tế bào iPS có tính chất không khác các tế bào gốc phôi 3.Vắc xin chống bệnh antihelminthic từ cây lúa chuyển gen(21/01/2009) - Các nhà KH từ ĐH Tokyo, Gifu và Viẹn khoa học CNSH nông nghiệp Nhật bản đã phát triển được một giống lúa chuyển gen có hàm lượng vắc xin antihelminthic đáng kể. Giống lúa chuyển gen biểu hiện As16 một antigen bảo vệ chống lại sâu Ascaris suum được hợp nhất với CTB (cholera toxin B subunit). 4.Các nhà khoa học tìm ra giải pháp cho chuỗi xoắn phân tử (06/01/2009) - Các nhà nghiên cứu tại ĐH Washington ở St. Louis đã có một phát hiện lớn giải thích cơ chế mà ở đó các tế bào thực vật làm im lặng các gen có hại. Craig Pikaard và các đồng nghiệp đã tập trung vào một loại RNA polymerase (Pol) riêng của thực vật. RNA polymerase là các enzim chịu trách nhiệm hình thành RNA từ các chuỗi DNA, giữ vai trò then chốt trong việc xác định các gen nào được bật và gen nào sẽ tắt. Năm 2005, Pikaard và nhóm nghiên cứu đã xác định được 2 RNA polymerases duy nhất trong thực vật là Pol IV và V. Từ phát hiện năm 2005, các nhà khoa học đã tập trung để tìm hiểu xem những enzim này hình thành thế nào. 5. Nhiên liệu sinh học từ nấm (21/12/2008) Các nhà khoa học mới phát hiện ra một loại nấm màu hồng trong rừng nhiệt đới phía Bắc Patagonia (Nam Mỹ) có khả năng tiết ra khí hydrocacbon. Phát hiện này được coi là một bước tiến quan trọng hứa hẹn cung cấp một nguồn nhiên liệu sinh học mới. Nghiên cứu cụ thể được công bố trên tạp chí Microbiology.Gary Strobel, nhà sinh vật học thuộc đại học Bang Motana (Bozeman, Mỹ) cho biết: "Đây là loài sinh vật duy nhất được phát hiện cho đến nay cho thấy khả năng tạo ra hỗn hợp nhiên liệu từ cellulose, chất có thể tạo ra nguồn nhiên liệu tốt hơn bất cứ nguồn nhiên liệu nào chúng ta đang sử dụng." 6. (06/01/2009) - Sự khác biệt trong việc ra hoa chùm hoặc ra hoa nhánh xác định sự thành công trong quá trình sinh sản của thực vật và sản lượng của cây trồng. Zachary Lippman và các đồng nghiệp đặt tại ĐH Hebrew ở Ixrael đã phát hiện ra một cơ chế di truyền xác định hình thái phát triển của hoa ở các họ cây Solanaceae bao gồm cà chua, khoai tây, ớt, cà tím, thuốc lá Không giống như các cây trồng khác như hướng dương và dương .  7. NASA chế tạo cảm biến sinh học dò tìm vi khuẩn Cơ quan Không gian và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) vừa chế tạo thành công một loại cảm biến sinh học dựa trên công nghệ nano hiện đại có khả năng phát hiện vi khuẩn, vi-rút và ký sinh trùng. Thiết bị cảm biến sinh học mới này có công dụng ngăn chặn sự lan truyền những mầm bệnh (pathogen) nguy hiểm trong nước, thực phẩm và các nguồn khác. Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA (ở California) sẽ hợp tác với Công ty Early Warning Inc. (New York) để phát triển các ứng dụng của thiết bị cảm biến này. Trước mắt, thiết bị sẽ được cấu hình để nhận diệnMầm bệnh sẽ được phát hiện bằng cảm biến sinh học mới của NASA. (Ảnh: KTH School of E.E.) những dòng vi sinh vật có liên quan đến các bệnh truyền qua đường nước. sinh vật có liên quan đến các bệnh truyền qua đường nước.  Tiến sĩ Meyya Meyyappan, khoa học gia trưởng về công nghệ nano của Ames, cho biết, "Bộ cảm biến này sử dụng các ống nano carbon siêu nhạy, có khả năng phát hiện những tác nhân sinh học nguy hiểm có nồng độ rất thấp. Do ống nano có kích thước cực nhỏ nên một cảm biến sinh học có thể chứa đến hàng triệu ống nano”. 8. Ruồi có thể giúp chữa bệnh gan  Một nghiên cứu về loài ruồi (chuyên hút nhựa cây) có lẽ sẽ tìm ra được những phương pháp chữa trị mới cho các bệnh về gan và tiểu đường ở người. Ruồi Drosophila chuyên hút nhựa cây(Ảnh: SPL) Nghiên cứu này được tiến hành bởi Viện nghiên cứu y học quốc gia (National Institute for Medical Research) và được công bốtrên tạp chí Nature. 9. Công nghệ tách nước khỏi mật ong Nhiều lô hàng mật ong xuất đi nước ngoài lại bị trả về do sản phẩm chứa 24% - 30% nước, không đảm bảo chất lượng ong Do vậy các nhà khoa học thuộc trường đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ tách nước khỏi mật ong10. Sản xuất tế bào gốc từ da người Phát hiện mang tính đột phá của các chuyên gia Anh có thể giúp chúng ta biến da người thành tế bào gốc. Kỹ thuật mới này giúp giới khoa học có thể chấm dứt việc khai thác tế bào gốc từ thai nhi. 11. Thực vật tiết ra axit malic để thu thút khuẩn đất có lợi Thực vật trong tự nhiên nhận được mọi sự giúp đỡ mà chúng cần. Đối mặt với nhiều mối nguy như sương giá, hạn hán, loài gặm nhấm, mầm bệnh như nấm, giun tròn, vi khuẩn, vi rút. Các nhà khoa học đã biết về khuẩn đất có lợi chuyển kháng thể chống lại một loạt các loại bệnh thực vật bằng cách kích hoạt cơ chế phòng vệ của cây trồng, qua đó làm giảm khả năng nhiễm bệnh của cây trồng. Thực vật sử dụng một dãi các biếndưỡng để bảo vệ chúng trước các vi sinh vật có hại và thu hút các sinh vật có lợi. Mặc dù việc ra dấu hiệu cho vi khuẩn được xác định là kích hoạt cơ chế phòng vệ của thực vật nhưng sự trao đổi chất ở thực vật gợi ra phản ứng khuẩn rễ lại chưa được mô tả. 12. Vi khuẩn có thể là câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu của chúng ta. Bằng cách lên men sinh khối để tạo ra nhiên liệu sinh học, chúng là giải pháp cho sự thiếu hụt nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch đồng thời không gây hại cho môi trường. Bài phê bình của giáo sư Arnold Demain từ Đại học Drew, New Jersey, Hoa Kỳ về việc làm thế nào vi khuẩn có thể được sử dụng để đối phá với khủng hoảng năng lượng, mới được công bố trên Tạp chí Springer về Công nghệ sinh học và sinh học vi khuẩn. Theo giáo sư Demain, nền kinh tế dựa trên xăng dầu của Hoa Kỳ đang đến dần giai đoạn cuối. Những mỏ dự trữ dầu toàn cầu và những khám phá xăng dầu mới sẽ không đủ để giải quyết như cầu hàng năm của toàn thế giới. Do đó, cần phải dự đoán và tránh sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai, đồng thời cung cấp những chọn lựa năng lượng sinh học mới cho thị trường.Vi khuẩn E.coli. Nguồn năng lượng trong tương lai. (Ảnh: Phòng thí nghiệm Rocky Mountain)Trong hoàn cảnh còn nhiều tranh cãi về mặt kinh tế và chính trị trong sự thay thế dần xăng dầu bằng những lựa chọn khác như nhiên liệu sinh học, Demain cho biết làm cách nào vi khuẩn có thể giúp giải quyết vấn đề năng lượng, và tập trung vào những sinh vật lên men sinh khối lignocellulosic để tạo ra ethanol, butanol, diesel và hydrocacbon sinh học Demain kết luận rằng: “Điều còn lại là nỗ lực và thách thức chính đối với kỹ thuật hóa sinh ở những thực vật mới được trồng để sản xuất nhiên liệu sinh học. Những quá trình mới cần được nhân lên trên quy mô lớn và thực hiện vớichi phí rẻ nhất có thể. Tương lai của nhiên liệu sinh học rất sáng lạng và điều tuyệt vời nhất vẫn còn ở phía trước”.13. Biến tảo thành nhiên liệu giá rẻ Hai anh em nhà khoa học Mỹ RiggsEckellberry và Nicholas Eckellberry vừa công bố mô hình cỗ máy có giá thành rẻ để chuyển hóa loài tảo có nhiều trong tự nhiên thành năng lượng hữu ích cho con người. Riggs Eckelberry (trái) và Nicholas Eckelberryđang giới thiệu mô hình cỗ máy Helix BioReactor. Ảnh: Reuters. Nicholas Eckellberry hướng dẫn cách vận hành Helix BioReactor trong phòng thí nghiệm của công ty OriginOil. Ảnh: Reuters. Nicholas đứng cạnh hai thùng thínghiệm thu năng lượng từ tảo. Ảnh: Reuters. 14. Phát quang sinh học trên hoa Lan Một thành công của Giáo sư Chia Tet Fatt thuộc NIE - National Institute of Education, nhóm nghiên cứu khoa học hàn lâm quốc gia, trường Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore. Những cây lan phát quang này sẽ phát ra ánh sáng liên tục mà mắt thường vẫn trông thấy được, ánh sáng trắng-lục nhạt phát ra trên cả câylan bao gồm rễ, thân, lá và cánh hoa. Cường độ ánh sáng phát ra khác nhau trên mỗi bộ phận cây, từ 5,000 đến 30,000 photon trên giây.15. Sản xuất điện năng từ rơm Các nhà nghiên cứu đã phát triển một nhà máy khí sinh học chưa từng có chạy hoàn toàn bằng phế thải nông nghiệp: Rơm. Nhà máy thử nghiệm sản xuất điện từ... rơm Nguyên liệu – rơm hoặc lõi ngô– là nguồn không hạn chế Nhà máy sẽ sản xuất ra nhiều khí sinh học hơn 30% so với những nhà máy trước đây. 16. Phần tử nano giúp tiêu diệt tế bào ung thư Các nhà nghiên cứu tại Pennsylvania lần đầu tiên báo cáo rằng những phần tử nano bằng 1/5.000 đường kính của sợi tóc con người với vai trò chuyên chở thuốc chống ung thư trong thí nghiệm có thể tiêu diệt khối u ác tính ở người và những tế bào ung thư vú được cấy trong phòng thí nghiệm. Phát hiện này có thể dẫn tới việc phát triển một thế hệ thuốc chống ung thư mới an toàn hơn và hiệu quả hơn so với những loại thuốc hóa học trị liệu thông thường.Nghiên cứu được công bố trên ACS' Nano Letters, một tạp chí theo thángTrong nghiên cứu này, Mark Kester, James Adair và các đồng nghiệp tại Trung tâm y tế Hershey của bang Penn và Đại học Park cho thấy rằng một số phần tử nano hứa hẹn trở thành những phương tiện vận chuyển thuốc.Một loại phần tử nano mới có thể cài thiện việc chữa trị ung thư, các nhà nghiên cứu cho biết. (Ảnh: Hari S. Muddana)II. nh÷ng thµnh tùu c«ng nghÖ sinh häc hiÖn ®¹i ë viÖt nam trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y.1. Tạo ra những tấm chứng minh thư ADN Phần lớn chủ nhân của những tấm chứng minh thư ADN này đều làm nó với mục đích xác định huyết thống. Giá thành của chứng minh thư ADN là 2 triệu đồng/thẻ. GS.TS Lê Đình Lương – Trung tâm Phân tích ADN và Công nghệ di truyền,Tổng thư ký hội di truyền học Việt Nam, cho biết hiện nay đã có khoảng 200 tấm thẻ đặc biệt được hoàn thành. TS Lương cho biết, thẻ ADN là sản phẩm của quá trình giải mã bộ gene người. Hiện nay Trung tâm đang điều tra 50 bệnh phổ biến nhất trên thế giới và 30 bệnh phổ biến nhất ở Việt Nam. Trong thời gian tới, Trung tâm Phân tích ADN và Công nghệ di truyền sẽ cảnh báo cho những người làm thẻ ADN biết 10 căn bệnh di truyền mà họ có thể mắc phải. Thẻ ADN là tấm phim chụp hình những đoạn gene cần thiết. 2. Phân bón mía từ phế thải nhà máy mía đường Nhóm các nhà khoa học thuộc Công ty cổ phần phân bón Fitohoocmon (Hà Nội) đã nghiên cứu thành công công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh chuyên dùng cho cây mía từ chính phế thải và phụ phẩm của các nhà máy mía đường. Tiến sĩ Lê Văn Tri, chủ nhiệm công trình cho biết công nghệ này đã xử lý toàn bộ phế thải chuyển thành phân bón hữu cơ vi sinh chất lượng cao, phục vụ thâm canh phát triển vùng nguyên liệu. 3. Tạo tinh trùng chuột từ tế bào gốc Lần đầu tiên, các nhà khoa học Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Ứng dụng tế bào gốc (Đại học Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc gia TP HCM) đã tạo được tinh trùng chuột từ tế bào gốc. Đây là một hướng đi quan trọng trong việc nghiên cứu điều trị vô sinh cho nam giới không có khả năng tự sinhsản ra tinh trùng. Đây cũng là một bước tiến mới của các nhà khoa học Việt trong việc dùng tế bào gốc phục vụ chữa bệnh cho con người.4. Nuôi tinh tử thành tinh trùng, cơ hội mới cho những người hiếm muộn   Kỹ thuật nuôi tinh tử thành tinh trùng để cấy vào trứng được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ phôi, Học viện Quân y. Tinh tử (tế bào dạng tròn, chưa có đuôi) sẽ được nuôi cấy cho đến khi có đuôi (thành tinh trùng), chuyển động, có thể thụ tinh được. Những người không có tinh trùng sẽ phải mổ tinh hoàn vớivết mổ rất nhỏ để lấy tế bào tinh tử. Tế bào này được nuôi cấy trong 24h, sau đó thụ tinh trong ống nghiệm với trứng khỏe mạnh. Đây là kỹ thuật được thực hiện duy nhất tại trung tâm và đã giúp một bé gái khỏe mạnh ra đời. Tại Trung tâm công nghệ phôi. Ảnh: sinhhocvietnam.com5. Kỹ thuật sinh sản nhân tạo cá lăng chấm Cá lăng chấm Hemibagrus guttatus (Lacépede, 1803) là loài cá có giá trị kinh tế cao của hệ thống sông Hồng. Trong những năm 1960-1970, sản lượng cá lăng chấm chiếm tỷ lệ khá lớn trong sản lượng cá đánh bắt tự nhiên của một số tỉnh miền núi. Tuy nhiên, những năm gần đây, do ảnh hưởng của điều kiện môi trường và chủ yếu là do khaithác quá mức nên sản lượng cá lăng chấm đã giảm nghiêm trọng. Hiện tại, cá lăng chấm được xếp vào mức nguy cấp bậc V, cần phải bảo vệ gấp.6. Nghiên cứu đặc điểm sinh học sinh sản và công nghệ sản xuất giống nuôi thương phẩm ghẹ xanh Ðề tài: Nghiên cứu đặc điểm sinh học sinh sản và công nghệ sản xuất giống nuôi thương phẩm ghẹ xanh (Portunus pelagicus) được triển khai từ 1/1999 đến 12/2000 tại Trung tâm nghiên cứu Thuỷ sản III và một số vùngven biển tỉnh Khánh Hoà nhằm mục đích xây dựng quy trình sản xuất giống ghẹ xanh bằng phương pháp nước xanh và quy trình nuôi thương phẩm ghẹ xanh trong ao, đìa. 7. Công nghệ tế bào và phôi - Nhân giống in vitro : Đến nay trình độ của Việt Nam phát triển khá cao đạt đến trình độ cho phép hoàn thiện qui trình nhân giống ở hầu hết các đối tượng ở qui mô phòng thí nghiệm, nhưng thực tế các qui trình này còn chưa thích ứng cho qui mô sản xuất lớn. Nhiều đối tượng thành công như : khoai tây, khoai lang, khoai sọ, sắn (cây lương thực); cây ăn quả như dứa, chuối, gốc ghép cam chanh; một số cây công nghiệp như mía, cà phê, điều, dứa sợi các cây lâm nghiệp như bạch đàn, keo, tre và nhiều loại hoa như hoa lan, cẩm chướng, hồng, đồng tiền 8. Nuôi cấy thành công “NẤM LINH CHI” trong môi trường invitro 9Kết quả nghiên cứu công nghệ di truyền điều khiển giới tính tôm càng xanh nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu công nghệ di truyền trong nuôi trồng thuỷ sản không những có ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa kinh tế. Ðã có nhiều công trình nghiên cứu thuộc các đề tài cấp Bộ, cấp Nhànước thu được nhiều kết quả đáng khích lệ, trong đó có thể kể đến sự thành công bước đầu của việc chuyển đổi giới tính một số loài cá, tôm nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm  10. Công nghệ vi sinh vật : Sử dụng VSV làm phân bón (phân VSV cố định nitơ tự do hoặc hội sinh, phân VSV phân giải phốt phát khó tan từ vi khuẩn hoặc nấm mốc; phân bón VSV có nguồn gốc từ nấm Mycorhiza, vi khuẩn Rhizobium, xạ khuẩn Franka cho cây lâm nghiệp (thông, keo, phi lao, sao đen); chế phẩm VSV bổ sung thức ăn gia cầm Chế phẩm thuốc BVTV sinh học được ứng dụng rộng rãi như NPV, V-Bt để trừ sâu khoang, sâu xanh hại rau, màu, bông, đay, thuốc lá, chế phẩm vi khuẩn huỳnh quang (Pseudomonas flourescens) phòng trừ bệnh hại rễ cà phê, vải thiều, lạc. 10. Công nghệ enzyme. - Sử dụng kỹ thuật phân tích enzyme xác định hàm lượng độc tố nấm, mức độ tồn dư thuốc trừ sâu trong sản phẩm nông nghiệp, trong lên men lá, củ sắn để làm giảm hàm lượng độc tố, tăng protein. - Sản xuất chế phẩm đậu tương lên men từ vi khuẩn Bacillus subtilis nato; hương thơm trên cơ chất gạo, ngô và một số quả ít hương thơm, rượu vang, chế phẩm Iturin A để bảo quản nông sản và bảo vệ cây trồng; chế phẩm Bacteriocin để bảo quản thực phẩm tươi sống.