Giải bài tập Chuyên đề Sinh học 10 Bài 9: Sản xuất enzyme tái tổ hợp
A/ Câu hỏi mở đầu
Mở đầu trang 56 Chuyên đề Sinh học 10: 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?
Trả lời:
– Để khắc phục được sự hạn chế khi thu chế phẩm rennet từ dạ dày bê hoặc cừu non cần tìm ra một nguồn nguyên liệu sản xuất enzyme chymosin mới chứa lượng lớn enzyme này hơn, chi phí thấp hơn và không đối lập với nhu cầu khác của con người.
– Để bổ sung lượng enzyme chymosin cần cho sản xuất phô mai, công nghệ enzyme cần tạo ra một quy trình sản xuất mới cho hiệu quả sản xuất enzyme này cao hơn – quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp.
B / Câu hỏi giữa bài
I. ENZYME TÁI TỔ HỢP
Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 56 Chuyên đề Sinh học 10: Enzyme tái tổ hợp là gì? Tại sao người ta cần sản xuất enzyme tái tổ hợp?
Trả lời:
– Enzyme tái tổ hợp là enzyme được sinh tổng hợp từ phân tử DNA tái tổ hợp đã được chuyển vào tế bào sinh vật chủ.
– Người ta cần sản xuất enzyme tái tổ hợp nhằm tạo ra số lượng lớn enzyme với chi phí thấp hơn so với sản xuất enzyme tự nhiên để đáp ứng với nhu cầu sử dụng của con người.
Luyện tập 1 trang 56 Chuyên đề Sinh học 10: 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?
Trả lời:
Ưu thế khi sử dụng vi sinh vật là tế bào chủ để sản xuất enzyme tái tổ hợp so với tế bào động vật và thực vật:
– Hệ gene của vi sinh vật nhỏ, nghiên cứu kĩ, dễ điều khiển sinh tổng hợp protein đích.
– Vector chuyển gene ở vi sinh vật rất đa dạng, sẵn có và được nghiên cứu đầy đủ hơn.
– Vi sinh vật sinh trưởng nhanh trong môi trường nuôi cấy nhân tạo, không đòi hỏi nguồn dinh dưỡng đắt tiền nên hiệu suất tổng hợp protein enzyme cao.
Luyện tập 2 trang 57 Chuyên đề Sinh học 10: Những enzyme nào cần sản xuất trong dòng tế bào chủ động vật hoặc thực vật?
Trả lời:
Những enzyme cần sản xuất trong dòng tế bào chủ động vật hoặc thực vật là một số enzyme (có nguồn gốc từ động vật hoặc thực vật) có cấu trúc bậc 2, 3 hoặc bậc 4 phức tạp, có nhiều tiểu phần, nhiều cầu nối disulfide hoặc có gắn với coenzyme, cofactor, gắn với các gốc đường,…
II. SẢN XUẤT ENZYME TÁI TỔ HỢP
Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 57 Chuyên đề Sinh học 10: 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).
Trả lời:
– Giống nhau: Đều trải qua 4 giai đoạn: nuôi trồng và thu hoạch nguyên liệu sản xuất enzyme → Trích li enzyme từ nguyên liệu → Tinh sạch enzyme → Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme. Trong đó, các bước trích li enzyme từ nguyên liệu; tinh sạch enzyme; phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme đều diễn ra tương tự nhau.
– Khác nhau:
+ Trong quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp, để tạo nguyên liệu sản xuất enzyme, cần có thêm bước tạo DNA tái tổ hợp mang gene mã hóa enzyme rồi chuyển DNA tái tổ hợp vào dòng tế bào chủ thích hợp.
+ Trong quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp, trước khi trích li, cần kích hoạt biểu hiện gene đích theo các phương pháp khác nhau tùy theo từng loại vector và tế bào chủ biểu hiện gene.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 3 trang 57 Chuyên đề Sinh học 10: 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?
Trả lời:
a) Đoạn DNA hay gene đích được lấy từ các nguồn khác nhau như:
– Tách chiết DNA có sẵn từ động vật, thực vật và vi sinh vật.
– Tổng hợp hóa học từ các nucleotide.
– Nhân DNA bằng phương pháp PCR.
b) Sản phẩm ghép nối gene đích với vector là vector DNA tái tổ hợp.
c) Sản phẩm của quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp là dòng tế bào chủ mang vector DNA tái tổ hợp.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 4 trang 58 Chuyên đề Sinh học 10: Nhân dòng tế bào tái tổ hợp lên số lượng lớn trước khi được kích hoạt biểu hiện gene nhằm mục đích gì?…
Trả lời:
Nhân dòng tế bào tái tổ hợp lên số lượng lớn trước khi được kích hoạt biểu hiện gene nhằm mục đích sau khi kích hoạt có thể thu được số lượng enzyme lớn và đồng bộ.
Luyện tập 3 trang 58 Chuyên đề Sinh học 10: Nêu các cách thức dùng để kích hoạt dòng tế bào chủ biểu hiện gene
Trả lời:
Các cách thức dùng để kích hoạt dòng tế bào chủ biểu hiện gene tùy theo từng loại vector và tế bào chủ biểu hiện gene:
– Kích hoạt bằng các hóa chất khác nhau (đường lactose, ethanol, methanol,…).
– Thay đổi các điều kiện vật lí, hóa học (pH, nhiệt độ,…).
Vận dụng trang 58 Chuyên đề Sinh học 10: Tại sao chế phẩm enzyme tái tổ hợp dùng làm thuốc cần được tinh chế để có độ tinh khiết cao?
Trả lời:
Chế phẩm enzyme tái tổ hợp dùng làm thuốc cần được tinh chế có độ tinh khiết cao vì: Enzyme dùng làm thuốc cần phải có hoạt tính xúc tác cao và an toàn nhằm đảm bảo tính hiệu quả và ít có tác dụng phụ không mong muốn đối với bệnh nhân khi sử dụng.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 5 trang 59 Chuyên đề Sinh học 10: 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.
Trả lời:
Những giai đoạn 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 là:
|
Năm giai đoạn cơ bản của quy trình sản xuất enzyme tái tổ hợp |
Giai đoạn tương ứng trong quy trình sản xuất chế phẩm phytase tái tổ hợp |
|
(1) Tạo dòng DNA tái tổ hợp mang gene mã hóa enzyme |
Nhân gene mã hóa phytase từ nấm mốc A. niger bằng PCR và tách vector từ vi khuẩn E. coli → Tạo dòng DNA tái tổ hợp mang gene mã hóa phytase. |
|
(2) Chuyển DNA tái tổ hợp vào dòng tế bào chủ thích hợp cho biểu hiện gene |
Chuyển DNA tái tổ hợp mang gene mã hóa phytase vào tế bào chủ biểu hiện gene (S. cerevisiae) → nuôi tăng sinh khối tế bào. |
|
(3) Biểu hiện gene và thu hồi enzyme tái tổ hợp |
Kích hoạt biểu hiện gene → Thu hồi dịch nuôi cấy. |
|
(4) Tinh sạch enzyme tái tổ hợp |
Tinh sạch enzyme bằng sắc kí ái lực. |
|
(5) Phối chế, đóng gói và bảo quản chế phẩm enzyme tái tổ hợp |
Phối trộn phụ gia → Đóng gói tạo chế phẩm phytase tái tổ hợp. |