Đại cương về công nghệ sinh học và phân loại sản phẩm của vi sinh vật

Bài viết sau đây, nhà thuốc Ngọc Anh xin trình bày về công nghệ sinh học và phân loại các sản phẩm của vi sinh vật.

Định nghĩa công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học là việc ứng dụng vi sinh vật trong sản xuất các sản phẩm truyền thống như làm rượu bánh mì, tương chao và các kỹ thuật hiện đại của sinh học và di truyền học phân tử…

Phân loại công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học được phân loại theo thời gian gồm công nghệ sinh học truyền thống và công nghệ sinh học hiện đại

Công nghệ sinh học truyền thống như

• Quy trình chế biến, bảo quản lương thực thực phẩm, cải tạo đất đai, phân bón, giống phục vụ trong nông nghiệp và chăn nuôi.
• Các quá trình lên men trong công nghiệp để sản xuất các acid amin, acid hữu cơ, dung môi, kháng sinh, enzym và các vitamin…

Công nghệ sinh học hiện đại như

• Công nghệ di truyền
• Công nghệ tế bào
• Công nghệ enzym và protein
• Công nghệ vi sinh vật, công nghệ môi trường
• Công nghệ tái tổ hợp

Lịch sử phát triển công nghệ sinh học

Được chia làm 5 giai đoạn: giai đoạn trước pasteur, giai đoạn phát triển công nghệ lên men, giai đoạn công  nghệ kháng sinh và hóa chất; giai đoạn sinh tổng hợp điều khiển và giai đoạn công nghệ sinh học phân tử.

Giai đoạn trước pasteur

Từ 1865 trở về trước (giai đoạn lên men truyền thống). các sản phẩm được sản xuất như thực phẩm và đồ uống (bia, rượu, giấm, tương, dưa cà, phomat, bánh mì …). Giai đoạn này các phương thức sản xuất nhỏ lẻ, thủ công, ít kinh nghiệm và thụ động, chưa biết đến vai trò và sự tồn tại của vi sinh vật. Giống sử dụng trong nuôi cấy chủ yếu là nguồn từ tự nhiên, hoang dại và được nuôi cấy trong môi trường hở.

Giai đoạn phát triển công nghệ lên men (từ 1866 đến 1940)

Trong giai đoạn này pasteur đã tìm ra bản chất của sự lên men. Ông đã cho thấy vai trò kiên quyết của vi sinh vật trong quá trình lên men. Các kết quả nghiên cứu của ông đã tạo nền móng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này vào cuối thế kỉ 19 đến đầu thế kỷ 20 như acetone, ethanol, butanol, isopropanol…. Thời gian này quy trình lên men chuyển từ quy mô nhỏ lẻ thủ công lên quy mô công nghiệp áp dụng máy móc thiết bị.

Giai đoạn công nghiệp kháng sinh và hóa chất (từ 1941 đến 1960)

Giai đoạn này có vai trò rất lớn của flemming khi ông đã tìm ra penicillin và florey cùng với chain (1940) chiết tách thành công kháng sinh này. Ngoài ra, thời kì này cũng xuất hiện các cải tiến về mặt thiết bị và kỹ thuật như thiết bị lên men vô trùng cho phép tăng tối đa hiệu suất và giảm tối thiểu các tạp nhiễm của các vi khuẩn, virus khác. Các sản phẩm nên men trong thời kì này như kháng sinh, acid amin, enzym, vacxin, vitamin…

Giai đoạn sinh tổng hợp điều khiển (từ 1961 đến 1975)

Thời kì này đã lần đầu tiên xác định được cấu trúc của protein (insulin), chứng minh được mô hình xoắn kép của phân tử ADN, tổng hợp thành công protein và đặc biệt là tổng hợp thành công gen, đưa chúng vào các tế bào và biểu hiện kiểu gen này. Giai đoạn này, các nhà khoa học cũng đã biết tiến hành các phương pháp đột biến để chọn giống nâng cao hiệu suất, lên men kín và sử dụng các giống thuần chủng, nuôi cấy vi sinh vật chủ động hơn, quy mô công nghiệp với thiết bị hiện đại và cơ giới hóa.

Giai đoạn công nghệ sinh học phân tử (hiện đại từ 1976 đến nay)

Giai đoạn này được đặt nền móng bơi các thí nghiệm dẫn đến sự ra đời của kỹ thuật ADN tái tổ hợp và sự xuất hiện của insulin- sản phẩm đầu tiên ứng dụng công nghệ này (tích hợp gen dịch mã insulin vào tế bào vi khuẩn, để vi khuẩn này sản xuất insulin). Đến này công nghệ sinh học đã có những tiến bộ to lớn với các kĩ thuật như công nghệ nano, các enzym giới hạn, plasmid, vi sinh vật đột biến gen (sản xuất insulin, interferon, các kit chẩn đoán…), thực vật biến đổi gen (có năng suất cao, có khả năng tự cố định đạm, chịu được hạn và kháng dịch bệnh tốt…), động vật biến đổi gen (tăng sản lượng và chất lượng như trứng sữa thịt…, sản xuất các cơ quan cấy ghép…)

Ngoài ra, cũng có thể chia công nghệ sinh học thành 3 giai đoạn chính:

• Công nghệ vi sinh vật- công nghệ lên men đây là giai đoạn lâu đời nhất và chiếm tỉ trọng lớn nhất. Khai thác khả năng sinh trưởng và sản phẩm của vi sinh vật, tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động với hiệu suất cao nhất.
• Công nghệ tế bào- kỹ thuật nuôi cấy mô: gồm tế bào động vật và thực vật trong môi trường nhân tạo.
• Công nghệ gen- sinh học và di truyền học phân tử: cải biến chủng giống nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất và đa dạng hóa các sản phẩm tạo thành.

Các ứng dụng của công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học có tính chất đa ngành nên khả năng áp dụng rất rộng. Trong đó 4 lĩnh vực chính là chăm sóc sức khỏe (y tế), nông nghiệp (giống cây trồng), sử dụng phi thực phẩm của cây trồng và sản phẩm khác như nhựa phân hủy sinh học, dầu thực vật, nhiên liệu sinh học và các ứng dụng trong bảo vệ môi trường.

Y học: bao gồm các sản phẩm chủ yếu gồm:

• Thuốc: kháng sinh, vitamin, acid amin, vacxin, hormon, probiotic, thuốc hạ lipid máu nhóm statin, các enzym, protein, hormon…
• Nguyên liệu sản xuất thuốc: các vi sinh vật, dược liệu và vật nuôi biến đổi gen có khả năng sinh ra các loại protein trị liệu như insulin, interferon, các hormon sinh trưởng, erythropoietin (kích thích sản sinh hồng cầu), thrombopoietin (hormon tăng trưởng dòng mẫu tiểu cầu).
• Các công cụ trong chẩn đoán dựa trên chẩn đoán dựa trên AND, enzym…
• Các liệu pháp điều trị như liệu pháp gen, liệu pháp miễn dịch, liệu pháp tế bào gốc…

Trong nông nghiệp: công nghệ sinh học được áp dụng trong các cây trồng biến đổi gen. Các cây trồng này được thay đổi DNA nhờ kĩ thuật di truyền cho ra các kiểu hình mới có khả năng cho năng suất tốt hơn, chống chịu sâu bệnh, thời tiết tốt hơn. Bên cạnh cây trồng biến đổi gen còn có thực phẩm biến đổi gen. Chúng được tạo thành nhờ các biến đổi DNA, nhưng khác là dựa các vi sinh vật. Ngoài ra, công nghệ sinh học còn ứng dụng làm thuốc bảo vệ thực vật, phân bón vi sinh …

Phân loại sản phẩm vi sinh vật

Có thể phân loại sản phẩm vi sinh theo lĩnh vực sử dụng của sản phẩm, theo giá trị thương mại của sản phẩm. Nhưng phân loại theo quá trình trao đổi chất của vi sinh vật được sử dụng phổ biến.

Theo quá trình trao đổi chất, sản phẩm vi sinh vật được phân thành 3 nhóm chính là sinh khối tế bào; sản phẩm trao đổi chất và sản phẩm chuyển hóa.

Sinh khối tế bào

Là các tế bào của vi sinh vật có thể sống hoặc chết. Một số nhóm sản phẩm phổ biến trong nhóm này như:

• Chế phẩm probiotic: là các tế bào sống khỏe mạnh, có khả năng sống sót và phát triển tốt trong đường tiêu hóa để đem lại các tác dụng có lợi như hạn chế sự phát triển của vi khuẩn có hại, cân bằng vi khuẩn chí đường ruột, tiết các enzym để tiêu hóa một số sản phẩm khó tiêu. Ba nhóm vi sinh vật được sử dụng là nhóm vi khuẩn lactic, bacillus và nấm men.
• Vaccin: có thể là tế bào chết hoặc sống (suy giảm độc lực) của vi sinh vật gây bệnh. Một số ví dụ vaccin như vaccin tả uống, vaccin bại liệt…
• Protein đơn bào: là sinh khối của các vi sinh vật không có độc tính, giàu protein, giàu vitamin nhóm B và các chất khoáng. Chúng được sử dụng là thực phẩm hoặc thức ăn trong chăn nuôi. Trong các sản phẩm protein đơn bào, vi tảo được sử dụng phổ biến đặc biệt là tảo xoắn spirulina.
• Giống vi sinh vật: sinh khối vi sinh vật được lưu giữ và cải tạo để sử dụng làm giống nuôi cấy tạo các sản phẩm. Ví dụ, nấm men được sử dụng để sản xuất bánh mì, sản xuất rượu; vi khuẩn lactic được sử dụng để làm sữa chua, phomat, xúc xích…
• Các chế phẩm sinh học: một số vi khuẩn có khả năng cố định đạm làm phân bón vi sinh. Ngoài ra, một số sinh khối vi sinh vật đặc biệt còn có khả năng xử lý rác thải và nước sinh hoạt…
• Thuốc trừ sâu, diệt chuột: một số sinh khối vi sinh vật có khả năng diệt các loại sâu thân mềm phá hoại mùa màng do đó chúng được sử dụng làm thuốc trừ sâu vi sinh. Ngoài ra, một số vi sinh vật còn có khả năng diệt chuột…

Sản phẩm trao đổi chất

Là những sản phẩm được sản xuất ra trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật:

Cơ chất    →   sản phẩm + tế bào

Các sản phẩm trao đổi chất gồm có sản phẩm bậc 1, sản phẩm bậc 2, sản phẩm cuối cùng và các enzym.

Sản phẩm cuối cùng: là những sản phẩm có đặc điểm luôn được tế bào sản xuất quá thừa, gắn liền với quá trình sinh trưởng của vi sinh vật (chỉ có ở một số vi sinh vật nhất định) được tế bào tổng hợp ngay từ đầu pha log chó đến khi kết thúc pha cân bằng. Các sản phẩm cuối cùng phổ biến bao gồm bia; rượu vang; các dung môi như ethanol, glyceryl, manitol, butanol, aceton; khí đốt (methan ví dụ biogas); các sản phẩm từ sữa như phomat, sữa chua; các acid hữu có như acid lactic, acid acetic, acid propionic… Sản phẩm cuối cùng được thu ở cuối pha cân bằng. Tại thời điểm này, lượng sản phẩm tạo thành tối đa và tránh được việc một số thành phần của vi sinh chế phân hủy ra (nếu thu ở pha suy vong) gây nhiều tạp khó tinh chế.

Sản phẩm bậc một hay sản phẩm sơ cấp: là những sản phẩm được tạo ra ngay trong pha sinh trưởng đầu tiên của vi sinh vật. Các sản phẩm này có ở mọi vi sinh vật và ở mọi điều kiện nuôi cấy. Chỉ khác nhau về lượng sản phẩm thu được. Các sản phẩm bậc một bao gồm: các chất tham gia cấu thành tế bào như acid amin, nucleotid, vitamin, đường…; các sản phẩm trung gian tạo thành trong quá trình trao đổi chất như acid hữu cơ lactic, citric, acetic… Sản phẩm bậc 1 có cấu trúc rất đa dạng có thể từ kích thước rất nhỏ như khí hydro (2 Da) đến các vitamin có kích thước phân tử lớn như vitamin B12 (1355 Da).

• Các acid amin: các acid amin được sản xuất trong công nghiệp với số lượng lớn như acid glutamin, acid aspartic, phenyl alanine, lysine. Đặc biệt là acid glutamic với hơn 1,5 triệu tấn/ năm (chiếm hơn 50% tổng lượng acid amin sản xuất).
• Vitamin: hiện nay có 7 vitamin và provitamin được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp lên men vi sinh vật. Các vitamin này gồm beta-caroten, vitamin B12, vitamin B13, riboflavin (B2), vitamin C, linolenic acid (vitamin F), ergosterol. Hơn một nửa sản lượng vitamin được sử dụng cho sản xuất thức ăn chăn nuôi.
• Các acid hữu cơ: các acid hữu cơ được sản xuất bằng công nghệ lên men bao gồm acid citric, acid acetic, acid lactic, acid gluconic, acid itaconic. Trong đó, đặc biệt quan trọng là acid citric, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành đặc biệt là ngành dược.
• Nucleotid và nucleosid: các nucleotid sản xuất phổ biến là guanosine monophosphate 5’-GMP và inosinic monophosphate (5’-IMP). 2 sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi cả thực phẩm và dược phẩm
• Một số sản phẩm bậc 1 phổ biến khác phải kết đến như gôm xanthan ( khoảng 30000 tấn/ năm gồm dextran, agilat, galactomannan…); vi tảo Rhodophyta và phaeophyta.

Sản phẩm bậc 2: là các chất được tạo thành vào thời điểm gần kết thúc pha log (pha sinh trưởng đầu của vi sinh vật). Thậm chí đến gần giữa pha cân bằng nó mới được tạo thành. Sản phẩm bậc 2 chỉ tồn tại trong một số loại vi sinh vật cụ thể và ở môi trường nuôi cấy nhất định. Các sản phẩm bậc 2 quan trong là kháng sinh, một số statin, một số alcaloid, các độc tố (vaccin giải độc tố, thuốc trừ sâu…), các chất kích thích sinh trưởng.

Enzym: enzym là một protein có khả năng xúc tác các phản ứng chuyển hóa. Hầu hết các enzym được sản xuất công nghiệp đều dựa trên công nghệ sinh học nhờ vào vi sinh vật, trong đó 60% là các protease. Các protease này có vai trò quan trong trong sinh hoạt với 75% được sử dụng trong công nghiệp bột giặt, 10% trong công nghiệp sản xuất phomai, khoảng 15% còn lại được sử dụng trong công nghiệp thuộc da và thực phẩm…

Các sản phẩm chuyển hóa

Là việc thực hiện các chuyển hóa sinh học bằng việc sử dụng các vi sinh vật. Đặc biệt với những phản ứng mà hóa hữu cơ không hoặc rất khó để làm, cho hiệu suất thấp, giá thành cao.

Một số sản phẩm chuyển hóa được ứng dụng rộng rãi như các khung 6 APA, 7-ADCA, 7-ACA từ penicilin hoặc cephalosporin; sản xuất một số hormon; vitamin c; acid acetic nhờ enzym acetobacter suboxydans từ ethanol. Một số sản phẩm có thể là sản phẩm trao đổi chất hoặc chuyển hóa phụ thuộc vào việc sử dụng tiền chất hay không. Nếu có sử dụng tiền chất thì sản phẩm được xếp vào sản phẩm chuyển hóa.

Tài liệu tham khảo

Slide bài giảng “đại cương về công nghệ sinh học” học phần “công nghệ vi sinh”- PGS.TS Đàm Thanh Xuân

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3894835/

https://www.futuremedicine.com/doi/10.2217/pgs.09.37

Xem thêm: Yêu cầu chung và các bước tìm kiếm vi sinh vật trong sản xuất thuốc