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

Bài viết sau đây, nhà thuốc Ngọc Anh xin trình bày về yêu cầu chung và các bước tìm kiếm vi sinh vật trong sản xuất thuốc.

Yêu cầu chung của vi sinh vật trong sản xuất thuốc

• Nguồn gốc rõ ràng, thuần chủng: Các vi sinh vật sử dụng trong dược phẩm phải là giống thuần khiết, không nhiễm bất cứ vi sinh vật lạ nào khác, ồn định về kiểu hình (phenotype) và kiểu gen (genotype). Các vi sinh vật này cần được phân lập đến cấp chủng và được lưu trữ trong các bảo tàng giống lớn trên thế giới. Qua các thế hệ nuôi cấy, nếu không được tuyển chọn để lấy cá thể khỏe mạnh, các chủng giống này sẽ hồi biến tính hoang dại, thoái hóa dẫn đến hiệu suất sản xuất thấp. Ở quy mô nhỏ lẻ, trong các quy trình lên men truyền thống, giống thường được tuyển chọn từ tự nhiên nên năng suất không ổn định và không cao. Ngược lại, trong công nghiệp, giống thường là các chủng đã được biến đổi gen (thay đổi nguồn gốc di truyền) do đó năng suất ổn định và cao hơn. Bên cạnh việc biến đổi gen, giống cũng có thể lấy từ môi trường đang sản xuất để chọn ra chủng thích hợp (sinh trưởng nhanh cho năng suất cao, thích ứng điều kiện sản xuất).
• Không gây bệnh, không hoặc ít độc tính: yêu cầu này khác nhau giữa các mục đích sử dụng. Các chế phẩm probiotic, vi sinh vật sử dụng phải hoàn toàn không gây bệnh và phải thuộc vào nhóm an toàn GRAS, không mang các gen đề kháng kháng sinh và không liên quan đến bất kỳ bệnh tật gì. Thông thường, nguồn phân lập từ người là an toàn nhất. Ngược lại với vaccin, các vi sinh vật sử dụng là các mầm bệnh.
• Tạo ra sản phẩm với hiệu suất cao: hiệu suất cao để tăng lợi nhuận và giảm chi phí, giảm thời gian nuôi cấy. Sản phẩm chính cần phải chiếm đa số cả về số lượng và chất lượng.
• Ít tạo sản phẩm phụ: thuận lợi hơn cho quá trình tinh chế và tách chiết. Tạo ra sản phẩm chính có nồng độ cao.
• Sản phẩm dễ tách chiết: với sản phẩm ngoại bào, sản phẩm cần dễ tách khỏi môi trường nuôi cấy và sinh khối. Còn với sản phẩm nội bào, tế bào vi sinh vật cần dễ phá vỡ và sản phẩm dễ tách khỏi tế bào chất.
• Vi sinh vật dễ nuôi cấy: quá trình sinh trưởng nhanh, tốc độ trao đổi chất mạnh (nhanh tạo sản phẩm đích, giảm thời gian nuôi cấy). Phát triển nhanh mạnh trong môi trường nuôi cấy sẽ hạn chế được sự phát triển của vi sinh vật khác, hạn chế tạo ra tạp. Đồng hóa được các nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm, phế phẩm các các ngành sản xuất khác. Phát triển được trong các môi trường không hoặc ít bổ sung các chất tăng trưởng, vitamin…
• Ổn định di truyền trong quá trình bảo quản: không hồi biến tính hoang dại trong quá trình bảo quản. Dễ bảo quản, sống sót trong thời gian bảo quản.

Các bước tìm kiếm một vi sinh vật

Để có vi sinh vật cho năng suất cao có thể thu thập từ tự nhiên, lập bộ sưu tập và bảo quản chủng giống hoặc mua từ bộ sưu tập và các ngân hàng chủng giống. Phân lập giống từ tự nhiên, giá thành rẻ hơn, hạn chế sự phụ thuộc và các ngân hàng chủng giống và có được các ưu thế độc quyền về chủng vi sinh vật tìm được.

Quá trình tìm kiếm vi sinh vật gồm 6 bước:

Phân lập và tách riêng chủng vi sinh vật thuần nhất từ các nguồn khác nhau:

Từ mẫu lấy được, cấy chúng trên môi trường dinh dưỡng tối thiểu để kìm hãm hoặc tiêu diệt các vi sinh vật thông thường, các vi sinh vật đích được kích thích phát triển. Sau đó, pha loãng mẫu và cấy trên môi trường rắn để phân lập, xác định các đặc tính hình thái của vi sinh vật sàng lọc. Cấy vi sinh vật từ khuẩn lạc thu được trong môi trường rắn sang môi trường lỏng để tăng sinh số lượng.

Sàng lọc, tuyển chọn cá thể khỏe nhất:

Tiến hành nuôi cấy các vi sinh vật thu được ở trên bằng môi trường rắn. Môi trường rắn có ưu điểm với môi trường lỏng là dễ dàng xác định các khuẩn lạc hoặc vòng vô khuẩn trên bề mặt. Do đó dễ dàng nhận diện các cá thể khỏe nhất. Sau khi xác định cá thể khỏe nhất tiến hành phân lập cá thể này để tăng sinh và kiểm tra khả năng sinh sản phẩm.

Tìm kiếm môi trường dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy phù hợp:

• Nguồn dinh dưỡng: nguồn hidrocacbon (loại tan: đường đơn, đường đôi; loại không tan: hồ tinh bột), nguồn Nitơ (vô cơ: các muối amoni hoặc nitrat; nguồn hữu cơ: cao ngô, cao thịt, bột sữa), các chất khoáng nguyên tố vi lượng, tiền chất và chất kích thích sinh trưởng.
• Điều kiện nuôi cấy: chế độ cấp khí (phụ thuộc vào đặc tính hô hấp của vi sinh vật: hiếu khí, kị khí hay kị khí tùy tiện); lựa chọn nhiệt độ nuôi cấy (phù hợp đặc điểm vi sinh vật ưa mát hay ưa nóng, nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao đều ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật); lựa chọn pH môi trường thích hợp (thường pH trung tính, xấp xỉ 7, thấp quá hoặc cao quá sẽ ảnh hưởng hoạt động enzym của vi sinh vật ảnh hưởng quá trình trao đổi chất).
• Lựa chọn thời gian nuôi cấy phù hợp: tùy vào khả năng sinh trưởng của vi sinh vật mà chọn thời gian nuôi cấy phù hợp. Với tốc độ sinh trưởng nhanh thì chỉ nuôi cấy một vào ngày còn với trường hợp vi khuẩn nhân lên chậm thì cần thời gian lâu hơn (ví dụ vi khuẩn lao có thời gian nhân lên rất chậm trong khoảng 12-24h trong khi các vi khuẩn khác chỉ cần 20 phút). Ngoài ra, lựa chọn thời gian nuôi cấy còn phụ thuộc vào sản phẩm muốn thu. Với sinh khối tế bào thời gian nuôi cấy ngắn hơn thu các sản phẩm chuyển hóa hoặc trao đổi chất.

Đột biến tăng hiệu suất:

Đột biến là thay đổi gen của vi sinh vật để tạo ra vi sinh vật có kiểu gen mới có các ưu điểm vượt trội về năng suất tạo sản phẩm và giảm chi phí sản xuất và phù hợp với quy trình công nghệ (dễ nuôi cấy hơn). Do đó, giảm giá thành sản xuất.

Các chủng sau đột biến thường không có khả năng sống được trong các môi trường tự nhiên như chủng mẹ do đã bị thay đổi các cơ cấu điều hòa. Dẫn đến tạo ra các chuyển hóa mất cân bằng. Chủng sau đột biến (sau cải tạo) phải được giữ trong các môi trường dinh dưỡng đặc biệt để giữ được các thuộc tính chọn lọc (ưu việt).

Lựa chọn phương pháp tách chiết thu sản phẩm:

Tùy thuộc đặc điểm nội bào và ngoại bào mà tiến hành phương pháp tách chiết, dung môi thích hợp. Sau đó, tiến hành tinh chế sản phẩm để nâng cao hàm lượng sản phẩm.

Bảo quản chủng giống:

Nguyên tắc là phải giảm thiểu những yếu tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của vi sinh vật như nhiệt độ, độ ẩm, dinh dưỡng và ánh sáng. Trong thời gian bảo quản, định kỳ cấy truyền trên môi trường rắn để kiểm tra khả năng sống sót và các đặc tính sinh sản phẩm trong quá trình bảo quản.

Thông thường sử dụng phương pháp đông khô. Đông khô là phương pháp khi tế bào ở nhiệt độ lạnh sâu (có thể lên đến -196 độ C) nhờ đó bảo quản được toàn vẹn tế bào vi sinh vật. Phương pháp này phổ biến và hiệu quả cao với nấm sợi, nấm men, vi khuẩn và một số loại vi rút. Tuy nhiên lại ít được ứng dụng với tảo, động vật nguyên sinh và tế bào động vật. Phương pháp này được sử dụng phổ biến tại các bảo tàng giống trên thế giới. Ưu điểm của đông khô là khả năng giữ được hàm ẩm thấp cho vi sinh vật nên chuyển hóa của chúng bị ngừng lại, bảo toàn được tính trạng tế bào. Bảo quản được trong thời gian dài. Sau khi được đông khô sản phẩm có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng và có thể giữ được trong thời gian dài (có thể lên đến 100 năm). Tuy nhiên chúng có nhược điểm là đắt, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, một số protein và tế bào bị phá vỡ bởi nhiệt độ lạnh sâu.

Tìm kiếm vi sinh vật sản xuất một số sản phẩm cụ thể

Tìm kiếm vi sinh vật sinh kháng sinh

Cũng gồm 6 bước như với tuyển chọn các vi sinh vật khác:

• Lấy mẫu đất ở các khu vực có tiềm năng, phân lập trên môi trường dinh dưỡng thích hợp và tác riêng các khuẩn lạc chứa vi sinh vật triển vọng. Các vi sinh vật thường sản xuất kháng sinh phổ biến là xạ khuẩn (nhiều nhất), nấm mốc và vi khuẩn (tỉ lệ nhỏ).
• Nuôi cấy các vi sinh vật này và thử hoạt tính kháng khuẩn trên các vi sinh vật kiểm định, để lựa chọn chủng vi sinh vật tốt nhất.
• Nuôi cấy chúng trên các môi trường dinh dưỡng khác nhau để chọn điều kiện nuôi cấy thích hợp nhất.
• Đột biến các chủng này, chọn ra tế bào đột biến tạo ra năng suất cao nhất, dễ nuôi cấy nhất,
• Nghiên cứu điều kiện tách chiết vi sinh vật.
• Nghiên cứu phương pháp bảo quản và lưu giữ chủng tuyển chọn.

Tìm kiếm Probiotic

2 nhóm probiotic được sử dụng trong sản xuất là nhóm vi khuẩn gồm vi khuẩn lactic và vi khuẩn bacillus; nấm men saccharomyces.

Cũng gồm 6 bước:

• Tìm nguồn để phân lập vi sinh vật thích hợp có thể phân lập từ sữa như vi khuẩn L. acidophilus, phân trẻ sơ sinh như bifidobacterium, từ quả nho nhue saccharomyces cerevisiae, từ quả vải như sacharomyces bourlardi, từ đất như bacillus clausii.
• Pha loãng mẫu và cấy trên môi trường dinh dưỡng thích hợp
• Tách lấy các khuẩn lạc thuần khiết nhất và khả thi cao.
• Nghiên cứu các đặc điểm về dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy để thu được nhiều sinh khối tối đa nhất.
• Tiến hành thử các đặc tính của probiotic như chống chịu acid, muối mật, khả năng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật kiểm định, khả năng bám dính được vào ruột non, khả năng sinh bacteriocin…
• Nghiên cứu điều kiện bảo quản thích hợp.

Tìm kiếm vi sinh vật sản xuất sản phẩm bậc 1

Sản phẩm bậc 1 gồm enzym, acid amin, acid hữu cơ và các vitamin…

Cũng gồm có 6 bước:

• Tìm nguồn thích hợp để phân lập vi sinh vật: tìm theo cơ chất đối với enzyme và acid hữu cơ. Các vi sinh vật trong tự nhiên không sinh tổng hợp thừa các sản phẩm trao đổi chất do các cơ chế điều hòa của tế bào. Do đó, cần tiến hành các đột biến để thay đổi cơ chế này, tăng tính thấm để chúng sản xuất quá thừa sản phẩm. Các chủng đột biến thường được sử dụng để sản xuất acid amin, acid hữu cơ và vitamin.
• Pha loãng mẫu và cấy trên môi trường dinh dưỡng
• Tách riêng các khuẩn lạc thuần nhất, đặc tính thích hợp
• Cấy các vi sinh vật trong khuẩn lạc này trong các môi trường để xác định điều kiện nuôi cấy thích hợp, rẻ tiền. Với enzym cần xác định các chất cảm ứng để kích thích sinh sản phẩm. Ví dụ như tinh bột để tăng sinh amylase, cellulose để tăng sinh cellulase.
• Đột biến các chủng này để tạo ra các chủng mới có hiệu suất cao hơn: tăng tính thấm của sản phẩm qua màng tế bào, tăng khả năng chịu đựng được pH thấp.
• Nghiên cứu phương pháp tách chiết.

Tham khảo thêm: Pellet là gì? Thành phần, Thiết bị, Kỹ thuật sản xuất Pellet

Tài liệu tham khảo

Slide bài giảng học phần “công nghệ vi sinh ứng dụng trong sản xuất dược phẩm”-PGS.TS Đàm Thanh Xuân.

Xem thêm: Bao phim là gì? Nguyên liệu, Thiết bị và Kỹ thuật trong bao phim