Lời nói đầu

Công nghệ tế bào là một bộ phận quan trọng của công nghệ sinh học,
chủ yếu nghiên cứu các quá trình nuôi cấy tế bào động-thực vật và vi sinh
vật để sản xuất sinh khối, sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học
(enzyme, vaccine, các chất thứ cấp…), để làm mô hình thực nghiệm khảo
sát các tác động của hoá chất, làm nguyên liệu ghép tế bào và cơ quan…
Mặc dù, các kỹ thuật nuôi cấy tế bào chỉ được phát triển vào nửa đầu
thế kỷ 20, nhưng đến nay các ứng dụng của chúng đã có những bước tiến
vượt bậc nhờ sự đóng góp của công nghệ DNA tái tổ hợp.
Bên cạnh các giáo trình như: sinh học phân tử, nhập môn công nghệ
sinh học, công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ chuyển gen… giáo trình
công nghệ tế bào sẽ giúp sinh viên tiếp cận thêm một lĩnh vực khác của
công nghệ sinh học thông qua việc cung cấp những kiến thức cơ bản về các
vấn đề sau:
- Sinh trưởng và động học sinh trưởng của tế bào.
- Thiết kế các hệ lên men.
- Nuôi cấy tế bào và các ứng dụng của chúng.
Giáo trình công nghệ tế bào được biên soạn theo hướng khảo sát một
quá trình sinh học mang tính công nghệ nhiều hơn cả đó là quá trình lên
men ứng dụng cho cả tế bào vi sinh vật, lẫn tế bào động-thực vật trong các
thiết bị nuôi cấy (bioreactor/fermenter). Do đó, một số ứng dụng khác của
các kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào nói chung chúng tôi không đưa vào giáo
trình này.
Lĩnh vực công nghệ tế bào rất rộng và đa dạng, hơn nữa giáo trình này
mới được xuất bản lần đầu tiên nên khó tránh khỏi thiếu sót hoặc chưa đáp
ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý
kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Tác giả

c sử dụng nhằm đề cập đến những kỹ thuật mới như DNA tái
tổ hợp và dung hợp tế bào, và được xem là lĩnh vực công nghệ sinh học
hiện đại.

1. Công nghệ DNA tái tổ hợp (DNA recombinant technology)
Là những kỹ thuật cho phép thao tác trực tiếp nguyên liệu di truyền
của các tế bào riêng biệt, có thể được sử dụng để phát triển các vi sinh
vật sản xuất các sản phẩm mớ
i cũng như các cơ thể hữu ích khác. Những
kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật di truyền (genetic engineering),
công nghệ di truyền (genetic technology), thao tác gen (gene
manipulation), kỹ thuật gen (gene engineering) hay công nghệ gen (gene
Công nghệ tế bào
2

technology) Mục tiêu chính của công nghệ DNA tái tổ hợp là gắn một
gen ngoại lai (foreign gene) mã hóa cho một sản phẩm mong muốn vào
trong các dạng DNA mạch vòng (plasmid vector) và sau đó đưa chúng
vào trong một cơ thể vật chủ, sao cho gen ngoại lai có thể biểu hiện để
sản xuất sản phẩm của nó từ cơ thể này.

2. Dung hợp tế bào (cell fusion)
Là quá trình hình thành một tế bào lai đơn (single hybrid cell) với
nhân và tế bào chất từ hai loại tế bào riêng biệt
để tổ hợp các đặc điểm
mong muốn của cả hai loại tế bào này. Chẳng hạn, các tế bào đặc biệt của
hệ thống miễn dịch có thể sản xuất ra các kháng thể hữu ích. Tuy nhiên,
các tế bào này thường khó nuôi cấy vì tốc độ sinh trưởng của chúng rất
chậm. Mặt khác, các tế bào khối u nhất định nào đó có các đặc điểm bất
tử và phân chia nhanh. Bằng cách dung hợp hai t

Dược phẩm Kháng sinh, kháng nguyên (kích thích các đáp ứng
kháng thể), endorphin (chất dẫn truyền thần kinh),
γ-
globulin (ngăn cản sự viêm nhiễm), hormone sinh
trưởng người (điều trị trẻ em bị bệnh còi), albumin
huyết thanh người (điều trị chấn thương cơ thể), các
nhân tố điều hòa miễn dịch, insulin, interferon (điều trị
bệnh viêm nhiễm), interleukin (điều trị các bệnh nhiễm
trùng và ung thư), lymphokine (phản ứng miễn dịch
điều chỉnh), kháng thể đơn dòng (chẩn
đoán hoặc phân
phối thuốc), peptide hoạt hóa thần kinh (bắt chước các
peptide điều khiển sự đau của cơ thể), các nhân tố hoạt
hóa plasminogen của mô (hòa tan các cục máu đông),
vaccine.
Chăn nuôi-Thú y Phát triển các con giống sạch bệnh và mạnh khoẻ hơn,
các gia súc cho thịt có sản lượng cao hơn.
Trồng trọt Chuyển các tính trạng chống chịu stress, kháng côn
trùng và chất diệt cỏ vào các loài cây trồng, phát triển
các giống cây trồng có khả năng tăng quá trình quang
hợp và cố định đạm, phát triển các thuốc trừ sâu sinh
học và các vi khuẩn nhân không đóng băng (non-ice
nucleating).
Các hóa chất đặc
biệt
Các amino acid, enzyme, vitamin, lipid, các chất thơm
được hydroxyl hóa, các polymer sinh học.
Các ứng dụng môi
trường
Ngâm chiết khoáng, cô đặc kim loại, kiểm soát sự ô

ể xem một quá trình
sinh học đặc trưng bao gồm các tế bào vi khuẩn như trình bày ở hình 1.1.
Các nguyên liệu thô (thường là sinh khối) được xử lý và trộn với các thành
phần cần thiết khác để tế bào có thể sinh trưởng tốt trong một hỗn hợp dịch
lỏng, môi trường nuôi cấy được khử trùng để loại bỏ tất cả các cơ thể sống
và đưa vào bình nuôi cấy hình trụ lớn, thiết bị
đặc trưng với cánh khuấy,
vách ngăn, hệ thống thông khí và các bộ phận cảm biến để điều chỉnh các
điều kiện lên men. Một chủng vi sinh vật thuần khiết được đưa vào trong
một bình nuôi cấy. Các tế bào khởi đầu sinh sản theo hàm mũ sau một thời
gian nhất định của pha lag và đạt tới nồng độ tế bào cực đại khi môi trường
đã bị sử dụng h
ết. Sự lên men sẽ dừng lại và các thành phần sẽ được hút ra
để thu hồi sản phẩm và tinh sạch chúng. Quá trình này được hoạt động theo
kiểu lên men mẻ (batch culture) hoặc liên tục (continuous culture).
Khi tiến hành một quá trình sinh học (bioprocessing) trên quy mô lớn
cần lưu ý:
- Phải thu được các chất xúc tác sinh học tốt nhất (vi sinh vật, tế bào
động vật, tế bào thực vật, hoặc enzyme) cho một quá trình mong muốn.
Công nghệ tế bào
5

- Tạo ra môi trường tốt nhất có thể cho sự xúc tác bằng cách thiết kế
các bioreactor/fermenter thích hợp và cho nó hoạt động trong một phương
thức tối ưu.
- Phân tách các sản phẩm mong muốn từ hỗn hợp phản ứng trong một
phương thức kinh tế nhất.
Các nhiệm vụ đặt ra bao gồm thiết kế và phát triển một quá trình sinh
học. Các vấn đề cơ bản được đòi hỏi cho công việc này nh
ư sau:

Hình 1.1. Một quá trình sinh học đặc trưng.

1. Chúng ta mong đợi thay đổi cái gì
Để trả lời câu hỏi này, cần phải có những hiểu biết về các khoa học cơ
bản của quá trình công nghệ. Đó là vi sinh vật học, hóa sinh học, di truyền
học, sinh học phân tử Chúng ta cần phải tìm hiểu các vấn đề này trong một
phạm vi nhất định. Điều quan trọng ở đây là các chất xúc tác sinh học được
chọn lọc hoặc sửa đổi di truyề
n phải thích hợp cho các hoạt động sản xuất ở
quy mô lớn.
Công nghệ tế bào
6

2. Quá trình sinh học xảy ra với một tốc độ như thế nào
Nếu một quá trình nhất định có thể sản xuất một sản phẩm, thì điều
quan trọng cần biết là quá trình đó sẽ xảy ra với tốc độ như thế nào. Động
học của quá trình sẽ chi phối các tốc độ phản ứng dưới ảnh hưởng của các
điều kiện vật lý và hóa học nhất định. Chúng ta cần nắm vững hóa động học
(chemical kinetics) để thiết kế nồi phản ứng (reactor) thích hợp. Các kỹ
thuật tương tự được ứng dụng để giải quyết động học enzyme (enzyme
kinetics) hoặc động học tế bào (cell kinetics). Để thiết kế một hệ lên men
hiệu quả cho các chất xúc tác sinh học hoạt động, điều quan trọng cần biết là
tốc độ
phản ứng bị ảnh hưởng như thế nào bởi các điều kiện hoạt động
không giống nhau. Điều này bao gồm cả nghiên cứu về nhiệt động học
(thermodynamics), các hiện tượng vận chuyển, các tương tác sinh học, khả
năng ổn định của các dòng tế bào vi sinh vật (hoặc tế bào động vật và thực
vật) dùng làm nguyên liệu sản xuất

3. Hệ thống

và hóa học. So với các quá trình hóa học truyền thống, các quá trình sinh
học có những ưu điểm và nhược điểm như sau:

1. Các ưu điểm
- Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Điều kiện phản ứng cho các quá
trình sinh h
ọc là nhẹ nhàng-ôn hòa. Đặc trưng là nhiệt độ phòng, áp suất khí
quyển và pH môi trường khá trung tính. Kết quả, sự hoạt động ít nguy hiểm
và điều kiện sản xuất ít phức tạp hơn so với các quá trình hóa học đặc biệt.
- Tính đặc hiệu. Một chất xúc tác enzyme có tính đặc hiệu cao và xúc
tác chỉ một hoặc một số ít các phản ứng hóa học. Sự đa dạng của các
enzyme hiện có có thể xúc tác cho m
ột phạm vi rất rộng các phản ứng khác
nhau.
- Tính hiệu lực. Tốc độ của một phản ứng được xúc tác bằng enzyme
thường nhanh hơn nhiều so với khi phản ứng này thực hiện nhờ các chất xúc
tác không phải sinh học. Chỉ một lượng nhỏ enzyme được yêu cầu cũng đủ
để sản xuất một hiệu quả mong muốn.
- Các tài nguyên có thể đổi mới. Nguyên li
ệu thô chủ yếu của các
quá trình sinh học là sinh khối (biomass) cung cấp cả bộ khung carbon lẫn
năng lượng cần cho sự tổng hợp các hóa chất hữu cơ.
- Công nghệ DNA tái tổ hợp. Là những kỹ thuật sửa đổi hệ thống di
truyền nhằm nâng cao năng suất sinh học. Sự phát triển của những kỹ thuật
này hứa hẹn các khả năng khổng lồ để c
ải thiện các quá trình sinh học.

2. Các nhược điểm
- Các hỗn hợp sản phẩm phức tạp. Trong các trường hợp nuôi cấy tế
bào (vi sinh vật, thực vật hoặc động vật). Các phản ứng đa enzyme xảy ra

sản xuất ethanol hoặc lactic acid từ glucose (C
6
H
12
O
6
).
- Quá trình sản xuất ethanol. Là quá trình mà một số nấm men phân
giải các loại đường trong môi trường yếm khí để sản xuất rượu ethanol.
- Quá trình sản xuất lactic acid. Là quá trình mà một số enzyme như
lactodehydrogenase phân giải các chất trung gian như NADH (trong đường
phân yếm khí) thành lactic acid chứ không thành ethanol. Lên men lactic
được dùng trong công nghệ chế biến sữa để làm phomát và sữa chua. nấm men

C
6
H
12
O
6

2C
2
H
5
OH + 2CO
2

nd
ed. Stockton Press, New York, USA.
2. Flickinger MC and Drew SW. 1999. Encyclopedia of Bioprocess
Technology: Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation. John Wiley & Sons,
New York, USA.
3. Lee JM. 2001. Biochemical Engineering. Prentice Hall, Inc. USA.
4. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge
University Press, UK.
5. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts.
2
nd
ed. Prentice Hall, Inc. New Jersey, USA.
Công nghệ tế bào
10