Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 9: Sản xuất enzyme tái tổ hợp

Câu hỏi mở đầu

Bổ sung chế phẩm rennet (rennin) chứa enzyme chymosin làm đông tụ sữa là bước quan trọng, không thể thiếu trong quy trình sản xuất phô mai công nghiệp (hình 9.1).

Năm 1960, Tổ chức Lương thực, thực phẩm thế giới (FAO) dự báo sẽ có sự thiếu hụt trầm trọng chế phẩm rennet được sản xuất từ dạ dày bê hoặc cừu non, dùng trong chế biến phô mai. Chế phẩm rennet thô được chiết xuất từ một dạ dày bê hoặc cừu non sẽ đủ để đông tụ khoảng 340 - 450 lít sữa, tạo thành 45,4 - 88,6 kg phô mai tùy loại. Tuy nhiên, việc sản xuất chế phẩm rennet từ dạ dày của bê hoặc cừu non để đáp ứng nhu cầu chế biến phô mai cần phải sử dụng rất nhiều bê hoặc cừu non (1 tấn phô mai cần sử dụng lượng chế phẩm enzyme từ 11 - 22 con bê hoặc cừu non). Làm thế nào để khắc phục được điều đó? Công nghệ enzyme có thể làm gì để bổ sung lượng enzyme chymosin cần cho sản xuất phô mai?

Để khắc phục được cần dùng đến công nghệ enzyme tái tổ hợp.

I. Enzyme tái tổ hợp

Câu hỏi 1. Enzyme tái tổ hợp là gì? Tại sao người ta cần sản xuất enzyme tái tổ hợp?

Enzym tái tổ hợp là enzym được sinh tổng hợp từ phân tử ADN tái tổ hợp đã được chuyển vào tế bao chủ. Trong đó phân tử ADN tái tổ hợp là phân tử ADN có 2 nguồn gốc trở lên, một phân phân tử ADN tái tổ hợp là từ vector chuyển gen và phân còn lại là từ ADN sinh vật có nguồn gen mã hoá protein đích.

Con người cần sản xuất ADN tái tổ hợp vì enzym đóng nhiều vai trò trong cuộc sống của con người như trong chế biến thực phẩm, y học , ...

Luyện tập 1. Vi sinh vật có ưu thế gì so với tế bào động vật và thực vật khi chúng là tế bào chủ để sản xuất enzyme tái tổ hợp?

Vi sinh vật có ưu thế so với tế bào động vật và thực vật khi chúng là tế bào chủ sản xuất enzyme tái tổ hợp: 

• Hệ gen nhỏ, đã được nghiên cứu kĩ, dễ điều khiển khi sinh tổng hợp protein đích.
• Vector chuyển gen ở vi sinh vật đa dạng, có sẵn và được nghiên cứu đầy đủ
• Vi sinh vật sinh trưởng nhanh trong môi trường nuôi cấy nhân tạo, không đòi hỏi nguồn dinh dưỡng đắt tiền và hiệu suất tổng hợp protein cao.

Luyện tập 2. Những enzyme nào cần sản xuất trong dòng tế bào chủ động vật hoặc thực vật?

Những enzym có nguồn gốc từ động vật hoặc thực vật, có cấu trúc bậc 2,3 hoặc bậc 4 phức tạp, có nhiều tiển phần, có nhiều cầu nối disulfide hoặc gắn với coenzyme, cofactor, gắn các gốc đường thường khó sản xuất trong tế bào chủ là vi sinh vật nên cần được sản xuất trong dòng tế bào chủ động vật hoặc thực vật.

II. Sản xuất enzyme tái tổ hợp

Câu hỏi 2. So sánh các giai đoạn cơ bản trong quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp (hình 9.2) với các giai đoạn cơ bản trong quy trình sản xuất enzyme tự nhiên (hình 8.3).

Hai quy trình đều có sự giống nhau ở các bước Tinh sạch enzyme và phối chế, đóng gói và bảo quản.

Với quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp, có 3 gia đoạn khác với quy trình sản xuất enzyme tự nhiên:

(1) Tạo dòng DNA tái tổ hợp mang gene mã hoá enzyme

(2) Chuyển DNA tái tổ hợp vào dòng tế bào chủ thích hợp cho biểu hiện gene

(3) Biểu hiện gene và thu hồi enzyme tái tổ hợp

Câu hỏi 3. Quan sát hình 9.3 và cho biết:

a) Đoạn DNA hay gene đích được lấy từ những nguồn nào?

b) Sản phẩm ghép nối gene đích với vector là gì?

c) Sản phẩm của quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp là gì?

a) Đoạn DNA hay gene đích được lấy từ những nguồn:

• Tách chiết từ động vật, thực vật và vi sinh vật
• Tổng hợp hóa học từ các nucleotit
• Nhân DNA từ PRC

b) Sản phẩm ghép nối gene đích với vector là vector tái tổ hợp.

c) Sản phẩm của quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp là các dòng tế bào chủ mang vector tái tổ hợp được nhân lên.

Câu hỏi 4. Nhân dòng tế bào tái tổ hợp lên số lượng lớn trước khi được kích hoạt biểu hiện gene nhằm mục đích gì?

Hướng dẫn trả lời:

Nhân dòng tế bào tái tổ hợp lên số lượng lớn trước khi được kích hoạt biểu hiện gene nhằm mục đích sẽ thu được nhiều protein hay sản phẩm enzym sau khi kích hoạt biểu hiện kiểu gen thành protein.

Luyện tập 3. Nêu các cách thức dùng để kích hoạt dòng tế bào chủ biểu hiện gene.

Các cách thức dùng để kích hoạt dòng tế bào chủ biểu hiện gen:

• Kích thích bằng các hoá chất khác nhau như đường lactose, ethaol, methanol...
• Thay đổi các điều kiện vật lý, hoá học ( nhiệt độ, pH...)

Vận dụng. Tại sao chế phẩm enzyme tái tổ hợp dùng làm thuốc cần được tinh chế để có độ tinh khiết cao?

Chế biến enzym tái tổ hợp dùng làm thuốc cần được tinh chế để có độ tinh khiết cao vì để đảm bảo tính sạch của enzyme nên các enzyme này được làm tinh sạch bằng sắc kí ái lực trước khi được sử dụng làm các chế phẩm thuốc.

2. Ví dụ về quy trình enzyme tái tổ hợp

Câu hỏi 5. Quan sát hình 9.4 và cho biết những giai đoạn nào trong quy trình sản xuất chế phẩm phytase tái tổ hợp tương ứng với năm giai đoạn cơ bản của quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp.

Hướng dẫn trả lời: