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.
Trả lời:
- 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 nghệ enzyme là gì? Nêu một vài ví dụ về sản phẩm của công nghệ
enzyme mà em biết.
Trả lời:
- Sản phẩm đầu ra của công nghệ enzyme là các chế phẩm
enzyme.
- Một vài ví dụ về sản phẩm của công nghệ enzyme như:
+ Chế phẩm carbohydrase và cellulase có nguồn gốc từ Aspergillus
niger để sử dụng trong chế biến ngao và tôm.
+ Chế phẩm bột giặt và chất tẩy rửa sinh học chứa
các enzyme.
+ Chế phẩm men tiêu hóa chứa các enzyme hỗ trợ phân
giải thức ăn và giúp cơ thể hấp thu dinh dưỡng.
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.
Trả lời:
Câu hỏi 3: Thí nghiệm đối
chứng (ĐC) có hiện tượng sủi bọt không? Tại sao?
Trả lời:
- Thí nghiệm đối chứng (ĐC) không có hiện tượng sủi bọt, vì ống nghiệm chỉ có nước mà không có chất xúc tác sinh học hay chất xúc tác hóa học nên không tác dụng phân giải H2O2 để tạo thành O2.
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?
Trả lời:
- 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 56-60oC trong 30 phút là chết và ở 100oC thì chết ngay. Thể nha bào chịu được nhiệt độ cao hơn và lâu hơn ở 121oC trong 15-30 phút ở nồi hấp mới chết hoặc ở 170oC 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 oC) 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 thể được tìm thấy ở đâu?
Trả lời:
- Enzyme được sử dụng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy
rửa cần có những đặc tính là: chịu nhiệt, chịu kiềm (giữ được hoạt tính
trong điều kiện nhiệt độ và pH cao).
- Các sinh vật sinh enzyme có đặc tính này có thể được tìm
thấy ở các vi sinh vật sống trong môi trường khắc nghiệt như trong môi trường
như suối nước nóng, các khe nứt dưới biển sâu, trong các hồ và biển có môi trường
kiềm cao,…
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)?
Trả lời:
- 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?
Trả lời:
Vi sinh vật có nhiều lợi thế hơn so với động vật và thực vật
khi dùng để sản xuất chế phẩm enzyme vì:
- Vi sinh vật sinh trưởng nhanh trong môi trường nuôi
cấy nhân tạo giúp tăng hiệu suất sản xuất enzyme.
- Rất nhiều vi sinh vật sinh trưởng được trên các môi
trường chỉ chứa nguồn carbon rẻ tiền và các khoáng chất đơn giản
giúp tiết kiệm cho phí sản xuất.
- Vi sinh vật có nguồn enzyme phong phú, có những
tính chất đặc biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau của con
người mà enzyme từ thực vật và động vật không có.
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?
Trả lời:
- 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.