Chương 5

Nuôi cấy tế bào vi sinh vật

Mặc dù cho đến thế kỷ 19 vai trò của vi sinh vật trong những biến đổi
sinh học vẫn không được thừa nhận, nhưng con người đã sử dụng vi sinh vật
từ rất lâu trong việc chế biến thực phẩm, thức uống có cồn, sản xuất sữa, dệt
vải... Ngày nay, việc sử dụng vi sinh vật rộng rãi hơn trước đây rất nhiều.
Chúng không chỉ được dùng trong các quá trình vi sinh vật truyền thống mà
còn cho các quá trình mới như sản xuất dược phẩm, hóa chất công nghiệp,
enzyme, hóa chất nông nghiệp, xử lý nước thải, lọc khoáng và các công
nghệ DNA tái tổ hợp. Chương này chỉ tập trung giới thiệu các ứng dụng của
nuôi cấy tế bào vi sinh vật trong sản xuất dược phẩm (đặc biệt là dược phẩm
DNA tái tổ hợp) và sản xuất enzyme.

I. Tế bào vi sinh vật
Tất cả các cơ thể sống được Haekel (1866) phân loại thành giới động
vật (animal kingdom), giới thực vật (plant kingdom) và sinh vật đơn bào
(protist) như trình bày trong bảng 5.1.
Các protist được xem là các cơ thể sống tương đối đơn giản so với
thực vật và động vật. Chúng bao gồm tảo, động vật nguyên sinh, nấm và vi
khuẩn. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đã cho phép các nhà khoa học
thừa nhận rằng cấu trúc đơn vị của tất cả các cơ thể sống được phân chia
trong hai loại: sinh vật tiền nhân (prokaryotes) và sinh vật nhân thật
(eukaryotes).
Các tế bào tiền nhân là đơn vị cấu trúc trong hai nhóm vi sinh vật: vi
khuẩn và tảo lam (còn gọi là vi khuẩn lam-cyanobacteria). Các tế bào tiền
nhân có kích thước nhỏ và đơn giản như trình bày ở hình 5.1, nó không
được chia thành ngăn bởi các hệ thống màng đơn vị (unit membrane
systems). Các tế bào chỉ có hai vùng bên trong được phân biệt cấu trúc là: tế
bào chất và vùng nhân (hoặc dịch nhân). Tế bào chất có các chấm dạng hạt


Màng tế bào

Ribosome

Vùng nhân
Tế bào chất
Hình 5.1. Minh họa một tế bào đặc trưng của sinh vật tiền nhân.

Các tế bào prokaryote được bao quanh bởi thành tế bào (cell wall) và
màng tế bào (cell membrane), thành tế bào thường dày hơn màng tế bào,
bảo vệ tế bào khỏi các ảnh hưởng từ bên ngoài. Màng tế bào (hoặc màng tế
bào chất) là một hàng rào chọn lọc giữa phần bên trong tế bào và môi

1
Nhân thật: còn gọi là nhân chuẩn.
2
Sinh vật đơn bào: còn gọi là sinh vật nguyên sinh.
3
Tiền nhân: còn gọi là nhân sơ.
Công nghệ tế bào
59
trường bên ngoài. Các phân tử lớn nhất được biết đã đi qua màng này là các
đoạn DNA và các protein có trọng lượng phân tử thấp. Màng tế bào có thể
được gấp lại và mở rộng trong tế bào chất. Màng tế bào như là bề mặt mà
trên đó các chất khác của tế bào được gắn vào và giữ nhiều chức năng quan
trọng của tế bào. Màng tế bào

quan tử giúp cách ly các phản ứng hóa học khác nhau trong tế bào.
Công nghệ tế bào
60
II. Vi khuẩn
1. Hình dạng
Vi khuẩn là những cơ thể sống đơn bào có kích thước hiển vi. Hiện
nay, người ta đã biết được khoảng 1.500 loài trong tất cả môi trường tự
nhiên. Đường kính đặc trưng của tế bào vi khuẩn trong khoảng 0,5-1 µm.
Chiều dài của vi khuẩn rất khác nhau. Vi khuẩn xuất hiện trong các dạng
như sau: cocci (có dạng hình cầu hoặc hình trứng), bacilli (có dạng hình trụ
hoặc hình que), spirilla (có dạng cuộn xoắn ốc).

2. Kiểu sinh trưởng
Vi khuẩn sinh sản chủ yếu theo phương thức phân đôi (binary fission)
như được minh họa trong hình 5.3. Quá trình này bao gồm một số bước sau:
kéo dài tế bào, lõm vào của thành tế bào, phân phối nguyên liệu của nhân,
bắt đầu hình thành một vách ngăn ngang, phân phối nguyên liệu tế bào vào
trong hai tế bào, và phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình sinh
sản vô tính.

3. Các điều kiện vật lý ảnh hưởng đến sinh trưởng
Ba nhân tố vật lý chủ yếu
ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn là
nhiệt độ, oxygen và độ pH.
Do sự sinh trưởng và hoạt tính của vi khuẩn biểu thị sự hoạt động của
enzyme, và do tốc độ của các phản ứng enzyme tăng lên cùng với việc tăng
nhiệt độ, cho nên tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ mà chúng sinh trưởng, vi khuẩn sẽ được gọi
là psychrophiles
4

61
- Vi khuẩn kỵ khí tùy ý sinh trưởng trong điều kiện có oxygen tự do
hoặc không.
- Vi khuẩn ưa ít oxygen sinh trưởng trong sự có mặt một lượng rất ít
oxy tự do.
Hình 5.3. Vi khuẩn sinh sản bằng cách phân đôi.

Bảng 5.2. Phạm vi nhiệt độ thích hợp cho sinh trưởng của các loại vi khuẩn khác
nhau.

Loại vi khuẩn Phạm vi nhiệt độ cho
sinh trưởng
Nhiệt độ tối ưu
Psychrophiles -7 ~ 35
o
C 20 ~ 30
o
C
Mesophiles 7 ~ 45
o
C 30 ~ 40
o
C
Thermophiles 40 ~ 75
o
C 45 ~ 60
o

chất từ tế bào bố mẹ. Khi chồi lớn bằng bố mẹ, thì bộ máy nhân ở cả hai tế
bào được thay đổi và tế bào được phân cắt. Tế bào con có thể bám vào tế
bào bố mẹ, thường là ngay sau khi tế bào phân chia.
Nấm men quan trọng nhất là các chủng của Saccharomyces cerevisiae
được dùng trong sản xuất rượu vang, bia và bột nở bánh mì.
Hình 5.4. Kiểu sinh trưởng đặc trưng của nấm men bằng cách nảy chồi.

2. Nấm mốc
Nấm mốc là loại nấm dạng sợi (Hình 5.5). Một tế bào sinh sản đơn
hoặc bào tử (bào tử hạt đính-conidia) được nảy mầm để tạo thành một sợi
dài gọi là sợi nấm (hyphae) phân cành lặp lại khi nó kéo dài một cấu trúc
sinh dưỡng gọi là hệ sợi nấm (mycelium). Hệ này bao gồm một khối tế bào
chất đa nhân ở trong một hệ thống các
ống phân cành nhiều và cứng. Do hệ
Công nghệ tế bào
63
sợi nấm có khả năng sinh trưởng vô hạn, cho nên nó có thể đạt tới các kích
thước vĩ mô. Sợi nấm
Bào tử (bào tử đính) Hình 5.5. Kiểu sinh trưởng của nấm sợi bằng cách phân cành.