Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 7: Cơ sở khoa học và một số thành tựu của công nghệ enzyme

Câu hỏi mở đầu

Ô nhiễm rác thải nhựa hiện nay đang là vấn đề nan giải toàn cầu do loại rác thải này không phân hủy hoặc có thời gian phân hủy dài hàng trăm năm. Hình 7.1 mô phỏng mong muốn của các nhà khoa học tìm ra loại sinh vật có khả năng phân huỷ hoặc tái tạo rác thải nhựa.

Năm 2005, Rudolf Muller và cộng sự lần đâu tiên báo cáo về cutinase, một enzyme ngoại bào từ xạ khuẩn ưa nhiệt Thermobifida fusca có khả năng thuỷ phân nhựa tổng hợp từ dầu mỏ (PET - polyethylene terephthalate). Từ đó đến nay, cutinase đã được phát hiện ở nhiều vi sinh vật khác nhau. 

Làm thể nào để ứng dụng được enzyme cutinase trong thực tiễn? Nêu các cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme.

Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme

• (1) enzyme là chất xúc tác sinh học;
• (2) enzyme có thể hoạt động bên ngoài tế bào và cơ thế sống trong điều kiện gần với điều kiện trong tế bào của sinh vật đó;
• (3) enzyme xúc tác chuyển hoá đặc hiệu;
• (4) vi sinh vật có ưu thế trong công nghệ sản xuất enzyme;
• (5) enzyme từ các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt, enzyme được sản xuất và cải biến bằng công nghệ DNA tái tố hợp và công nghệ gene là xu thế của công nghệ enzyme hiện đại;
• (6) enzyme được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau có chất lượng và các đặc tính khác nhau.

I. Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme

Câu hỏi 1. Sản phẩm đầu ra của công ghệ enzyme là gì? Nêu một vài ví dụ về sản phẩm của công nghệ enzyme mà em biết.

Hướng dẫn trả lời:

Sản phẩm đầu ra của công ghệ enzyme là là các chế phẩm ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Một vài sản phẩm của công nghệ enzyme:

• Muối dưa, muối cà, ủ rượu, ủ nước mắm, làm tương, sản xuất rượu,...
• Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ nguyên liệu phế thải như bã mía, rơm, rạ, cỏ nhờ enzyme cellulase
• Sản xuất được enzyme làm chín trái cây, tạo mùi hương thay thế các chất hoá học độc hại
• Nghiên cứu thành công enzyme phân huỷ rác thải nhựa trong thời gian ngắn, mở ra triển vọng xử lí ô nhiễm môi trường bằng công nghệ enzyme
• Nghiên cứu và sử dụng enzyme trong lĩnh vực y tế (enzyme Cas9 có khả năng bất hoạt gene, sửa chữa sai hỏng DNA) tao ra đông vật và thực vật biến đối gene

2. Cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme

Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của chất xúc tác sinh học (thí nghiệm A) và chất xúc tác hóa học (thí nghiệm B) được thực hiện theo sơ đồ hình 7.2

Câu hỏi 2. Hiện tượng sủi bọt khí trong thí nghiệm A và B xảy ra mạnh nhất ở điều kiện nhiệt độ nào? Dự đoán kết quả theo gợi ý ở bảng 7.1.

Câu hỏi 3. Thí nghiệm đối chứng (ĐC) có hiện tượng sủi bọt không? Tại sao?

Thí nghiệm đối chứng không có sủi bọt.

Cốc đối chứng và cốc thí nghiệm giống nhau về các điều kiện nước, không khí và nhiệt độ nhưng khác nhau về điều kiện thành phần dung dịch dẫn đến kết quả thí nghiệm khác nhau.

Câu hỏi 4. Tại sao lại có sự khác biệt về ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả phản ứng phân huỷ H2O2 tạo ra khí O2 trong thí nghiệm A và B nêu trên?

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi khuẩn. Mỗi loại vi sinh vật phát triển trong một giới hạn nhiệt độ nhất định, dựa vào khoảng nhiệt độ phát triển tối ưu, vi khuẩn có thể được chia làm 3 nhóm: nhóm ưa ấm có nhiệt độ tối ưu giữa 20­oC-45oC, nhóm ưa lạnh có nhiệt độ tối ưu dưới 20oC và nhóm ưa nóng có nhiệt độ tối ưu trên 45oC. Ở nhiệt độ quá thấp vi khuẩn không phát triển được nhưng có thể còn sống; còn ở nhiệt độ cao hoặc rất cao thì vi khuẩn bị tiêu diệt.

Nhiệt độ thấp: Ở nhiệt độ thấp các phản ứng chuyển hóa của vi khuẩn bị giảm đi, có thể bị ngừng lại. Một số vi sinh vật bị chết nhưng đa số vẫn sống trong thời gian dài. Lúc làm đông băng vi sinh vật thì một số bị chết, nhưng nếu làm đông băng rất nhanh thì số vi sinh vật sống sót nhiều hơn. Người ta sử dụng đặc điểm này để bảo quản các chủng vi khuẩn ở nhiệt độ thấp.

Nhiệt độ cao: Nhiệt độ cao có khả năng giết chết vi khuẩn. Sức đề kháng của vi khuẩn với nhiệt độ cao tùy từng chủng loại và tùy theo ở trạng thái sinh trưởng hay ở trạng thái nha bào. Đa số các vi khuẩn ở trạng thái sinh trưởng ở nhiệt độ 56-60^oC trong 30 phút là chết và ở 100^oC thì chết ngay. Thể nha bào chịu được nhiệt độ cao hơn và lâu hơn ở 121^oC trong 15-30 phút ở nồi hấp mới chết hoặc ở 170^oC trong 30 phút - 1 giờ ở nhiệt khô mới bị tiêu diệt.

Vận dụng 1. Quy trình giặt tẩy công nghiệp thường diễn ra ở nhiệt độ cao (50 - 90°C) và nồng độ các chất tẩy rửa có tính kiềm cao (pH > 8). Enzyme được sử dụng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa cần có những đặc tính gì? Các sinh vật sinh enzyme có đặc tính trên có thế được tìm thấy ở đâu?

Nước giặt sinh học được ứng dụng bởi hỗn hợp của nhiều loại enzyme khác nhau. Điển hình như:

• Protease – loại enzyme có tính kiềm – có tác dụng phá vỡ các vết bẩn dạng protein như máu, trứng, nước sốt thức ăn.
• Amylase – giúp loại các vết bẩn từ tinh bột trên mọi chất liệu quần áo. Enzyme này biến đổi tinh bột thành chất dextrin và đường, giúp làm sạch vết bẩn dễ dàng hơn.
• Lipase – enzyme giúp tiêu diệt các vết bẩn từ chất béo và dầu mỡ. Đây là một trong những thành phần giúp tăng sự hiệu quả của nước giặt.
• Cellulase có tác dụng chính là chống bào mòn, làm mềm vải, làm sáng màu chất liệu quần áo và loại bỏ các vết bẩn.  
• Redox – loại enzyme mới hỗ trợ quá trình làm sạch khi giặt. Ngoài ra, nó còn có công dụng chống phai màu vải, giúp quần áo giữ được màu nguyên thủ trong thời gian lâu  hơn.

Nguồn gốc enzyme

Vận dụng 2. Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa có khác gì so với chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược (ví dụ chế phẩm protease dùng để phân giải các cục máu đông gây tắc nghẽn mạch)?

Một trong những ứng dụng nổi bật của protease đó chính là enzyme này là thành phần trong quan trọng trong các loại nước tẩy rửa, nhiều nhất là trong bột giặt mà chúng ta hay sử dụng trong cuộc sống hằng ngày. Sở dĩ có ứng dụng này là chính bởi vì protease có tính kiềm giúp thúc đẩy nhanh quá trình phá vỡ các liên kết peptit nên có thể dễ dàng loại bỏ nhanh chóng và tuyệt đối các vết bẩn do thức ăn, đồ uống, máu,... gây ra.

Protease có công dụng cải thiện chất lượng tế bào máu của chúng ta. Các enzyme này là nguyên nhân hình thành cũng như làm tan các cục máu đông. Chúng cũng có khả năng chống đông máu, hạ huyết áp và chống viêm. Papain, protease cũng được tìm thấy trong quả đu đủ, hỗ trợ ngăn ngừa độ dày lên các mạch máu. Một bệnh tim được gọi là xơ vữa động mạch. Bromelain, protease được người ta tìm thấy trong quả dứa. Chúng có đặc tính phòng chống đông máu và có thể làm giảm nguy cơ hình thành cục máu đông dẫn đến nhiều biến chứng nguy hiểm như bệnh thuyên tắc phôi, mạch vành và chứng đột qụy.

II. Một số thành tựu của công nghệ enzyme

Luyện tập 1. So với động vật và thực vật, vi sinh vật có lợi thế gì khi được dùng để sản xuất chế phẩm enzyme?

Dùng vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm enzyme có nhiều ưu điểm vì vi sinh vật có chu kì sinh trưởng ngắn, tốc độ sinh trưởng nhanh, con người chủ động nuôi cấy trong điều kiện nhân tạo với chi phí thấp, enzyme vi sinh vật có hoạt tính mạnh, hệ enzyme đa dạng.

Luyện tập 2. Nêu tên một số chế phẩm enzyme được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp mà em biết. Chúng được ứng dụng trong lĩnh vực nào?

• Chế phẩm chymosin được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong Aspergillus niger. Chế phẩm này được dùng trong công nghiệp chế biến bơ và phô mai, thay thế cho chế phẩm rennet (rennin), chứa chymosin được sản xuất từ dạ dày bê hoặc cừu non.
• Enzyme Taq DNA-polymerase của vi khuẩn ưa nhiệt Thermus aquaticus, phân lập từ suối nước nóng, đã được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp và ứng dụng trong kĩ thuật nhân đoạn DNA (kĩ thuật PCR) để chẩn đoán bệnh và nghiên cứu sinh học phân tử.