Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 10: Ứng dụng và triển vọng của công nghệ enzyme

Câu hỏi mở đầu

So với việc sử dụng chất xúc tác hoá học và các tác nhân vật lí, việc sử dụng enzyme trong các quy trình sản xuất và đời sống làm giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường, giúp chúng ta "sống xanh” hơn (hình 10.1).

Liệu chúng ta có thể "sống xanh" hơn nữa bằng cách giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong quy trình sản xuất enzyme không?

Chúng ta có thể "sống xanh" hơn nữa bằng cách giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong quy trình sản xuất enzyme.

I. Ứng dụng enzyme

Câu hỏi 1. Khi nào enzyme được dùng ở dạng tự do, cố định hay trong tế bào?

Các chế phẩm enzyme tự do được dùng phổ biến trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống. Loại chế phẩm này đặc biệt hữu hiệu đối với các cơ chất không tan như cellulose của rơm rạ, trấu, mùn cưa; tinh bột của các loại ngũ cốc; các phế phẩm, phụ phẩm dạng rắn trong công nghiệp chế biến (đầu vỏ tôm, cá, cua, bã sắn,...). 

Enzyme cố định hoạt động hiệu qủa đối với các cơ chất hòa tan trong dung dịch, các cơ chất đó có thể di chuyển và tiếp xúc enzyme một cách dễ dàng. Ví dụ: Penicillin acylase được cố định trên các sợi cellulose acetate hoặc trong các hạt polyacrylamide đề sản xuất 6-aminopenicillanic acid (6-APA). Glucose isomerase được có định trên DEAE-cellulose để sản xuất syrup HFCS (hỗn hợp của glucose và fructose). Bên cạnh đó, enzyme cố định cũng được dùng trong các que thử nhanh, trong các cảm biến sinh học (biosersor). Ví dụ: Glucose dehydrogenase được cố định trên que thử đường huyết, Alcohol dehydrogenase được cố định trên các cảm biến thử nông độ cồn trong hơi thở,...

Phức hệ enzyme trong tế bào vi khuẩn Serratia marcescens đã được sử dụng để chuyển hóa dầu thực vật thành biodiesel.

Câu hỏi 2. Nêu các ưu điểm, nhược điểm của chế phẩm enzyme tự do.

Ưu điểm: Khi hoạt động enzyme tự do tiếp xúc với cơ chất, không bị giới hạn về không gian, do đó chúng thể hiện được đầy đủ hoạt tính của mình.

Nhược điểm: Dễ bị biến tính bởi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, các chất ức chế, ...).

Câu hỏi 3. Người ta có thể tái sử dụng enzyme bằng những cách nào?

Enzym cố định vẫn giữ được hoạt tính xúc tác và nhưng thường không hoà tan vào trong dung dịch có chứa cơ chất do đó chế phẩn enzym được tái sử dụng nhiều lần.

Luyện tập 1. Quan sát hình 10.2 và cho biết kĩ thuật cố định enzyme từ (a) đến (e) thuộc loại nào sau đây?

(1) Cố định trong vi nang.

(2) Hấp phụ trên giá thể.

(3) Gắn trên giá thể bằng các liên kết khác nhau.

a) - (1) Cố định trong vi nang.

b) - (2) Hấp phụ trên giá thể.

c), d), e) - (3) Gắn trên giá thể bằng các liên kết khác nhau.

Câu hỏi 4. Quan sát hình 10.3 và cho biết cơ chất A được chuyển hoá thành sản phẩm B nhờ những enzyme nào trong tế bào? Các enzyme đó cần hỗ trợ gì từ tế bào?

 Cơ chất A được chuyển hoá thành sản phẩm B nhờ những enzyme 1, 2, 3 trong tế bào

Các enzyme đó cần hỗ trợ từ tế bào: 

• Enzyme 2 cần các tiền chất và hoặc coenzyme.
• Enzyme 3 cần tái tạo enzyme.

Luyện tập 2. Nêu các ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật sử dụng enzyme trong tế bào so với sử dụng enzyme tự do.

Ưu điểm: giảm chi phí tinh sạch enzyme, giảm thiểu sự biến tính của enzyme do các tác động từ môi trường.

Hạn chế: cơ chất cần phải đi qua màng tế bào để vào trong tế bào, sản phẩm cần phải đi qua màng tế bào để ra ngoài môi trường dẫn đến tốc độ phản ứng enzyme bị chậm lại. Việc duy trì sinh trưởng của tế bào cũng gặp khó khăn đối với các vi sinh vật sống ở điều kiện khắc nghiệt. 

Vận dụng. Nêu tên một số chế phẩm enzyme được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm mà em biết.

Tên một số chế phẩm enzym được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm: 

• Enzym amylase
• Enzym protease: chymosin, bromelain...
• Enzym thuỷ phân 
• Enzym oxy hoá khử

Câu hỏi 5. Quan sát hình 10.4 và cho biết các enzyme được sử dụng trong quy trình sản xuất syrup HFCS thực hiện xúc tác các phản ứng nào trong quy trình đó.

Nhóm enzyme amylase xúc tác trong quá trình dịch hóa và đường hóa thành glucose.

Enzyme glucose isomerase xúc tác trong quá trình đồng phân hóa để chuyển hóa glucose thành fructose.

Câu hỏi 6. Đọc bảng 10.1 và cho biết enzyme được dùng trong các ứng dụng nào của ngành y dược.

Hướng dẫn trả lời:

Enzyme được ứng dụng trong y dược:

• Sản xuất thuốc: L-aspartate, L-aspartame, 6-amino penicillanic acid.
• Chỉ thị chẩn đoán: cơn đau tim, men gan cao.
• Hỗ trợ thuốc: tăng tính đẫn thuốc, thuốc hấp thụ sâu vào cơ thể.
• Hỗ trợ tiêu hóa: tăng cường tiêu hóa, chống đầy bụng, khó tiêu.
• Trị liệu: làm tan máu đông, chống viêm, sưng tấy.

Luyện tập 3. Trong quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp (hình 9.3, bài 9), enzyme được dùng trong những bước nào? Chúng là những enzyme nào? Nêu vai trò xúc tác của các enzyme đó.

• Sử dụng các lysozyme, cellulase, protease nhằm phá vỡ thành, màng tế bào để thu vật liệu di truyền.
• Sử dụng các enzyme cắt giới hạn để cắt DNA.
• Sử dụng các DNA polymerase để nhân đoạn DNA trong PCR.
• Sử dụng ligase để nối các đoạn DNA.
• Sử dụng β-galactosidase trong sàng lọc các dòng tế bào mang vector tái tổ hợp.

II. Triển vọng của công nghệ enzyme

Câu hỏi 7. Theo em, ngành công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các lĩnh vực nào?

Công nghệ enzyme trong tương lai tập trung vào lĩnh vực: 

• Sử dụng công nghệ gen để cải tạo các đặc tính của enzyme cho phù hợp với các ứng dụng khác nhau, nâng cao hiệu quả tiếp xúc của Enzyme.
• Tìm kiếm các Enzyme từ các vi sinh vật cực khắc nghiệt nhờ công nghệ phân tích hệ gen.
• Phát triển kĩ thuật mới trong ứng dụng các loại chế phẩm Enzyme nhằm loại bỏ những hạn chế của các loại chế phẩm Enzyme hiện nay.