Bài 5: Khái Quát Về Công Nghệ Enzyme | Chuyên đề học tập Sinh học 10 | Chuyên Đề 2: Công Nghệ Enzyme Và Ứng Dụng - Lớp 10 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 27)

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Trình bày được một số thành tựu của công nghệ enzyme.
• Phân tích được cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme.

Công nghệ enzyme là quy trình kĩ thuật tách chiết và tinh sạch enzyme dùng cho nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn. Các chế phẩm của enzyme được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: sản xuất thuốc chữa bệnh, chế biến thức ăn cho người và gia súc, xử lí ô nhiễm môi trường, sản xuất bột giặt và các chất tẩy rửa,...

(Trang 28)

Nhiều loại enzyme có vai trò quan trọng trong công nghệ sinh học, không chỉ giúp tạo ra các giống vật nuôi, cây trồng mới có năng suất và chất lượng cao mà còn góp phần phát hiện và chữa trị nhiều bệnh hiểm nghèo ở người.

I – THÀNH TỰU CỦA NGÀNH CÔNG NGHỆ ENZYME

1. Giai đoạn khởi đầu của công nghệ enzyme

Trong giai đoạn này, công nghệ enzyme là yếu tố tạo nên quá trình lên men và phát hiện enzyme là một trong những cột mốc đầu tiên của giai đoạn này. Thành tựu nổi bật của giai đoạn này là đã phát hiện ra quá trình lên men rượu và so sánh nó với sự tiêu hoá thức ăn trong cơ thể. Năm 1783, nhà bác học người Italy là Lazzaro Spallanzani đã lấy dịch dạ dày trộn với thịt và thấy có hiện tượng hoà tan xảy ra. Tuy nhiên, sau khi cùng hợp tác nghiên cứu với các đồng nghiệp khác, nhà bác học Lazzaro Spallanzani mới công bố các nghiên cứu chứng minh tiêu hoá không phải là một quá trình cơ học đơn thuần mà là một quá trình biến đổi hoá học với sự tác động của dịch vị. Giai đoạn này, người ta đã biết ứng dụng enzyme thuỷ phân protein (protease) có nguồn gốc từ thực vật như dùng quả đu đủ để làm mềm thịt và chữa bệnh chốc lở. 

2. Giai đoạn từ thế kỉ XIX đến những năm 30 của thế kỉ XX

Đây là giai đoạn đánh dấu sự ra đời của cái tên “enzyme” để gọi chung cho các chất xúc tác sinh học. Thời gian này, công nghệ enzyme cũng dần được hình thành. Một số thành tựu của công nghệ enzyme trong giai đoạn này như:

- Thu được enzyme xúc tác quá trình lên men và phân giải các chất hữu cơ như tinh bột, protein.

- Phát hiện nước chiết của mầm đại mạch có khả năng chuyển hoá tinh bột thành đường ở điều kiện nhiệt độ phòng.

- Thu được chế phẩm enzyme amylase ở dạng dung dịch và dạng bột.

- Tách chiết và tinh sạch một lượng lớn các enzyme.

3. Giai đoạn những năm 30 của thế kỉ XX đến nay

Có thể nói, đây là giai đoạn hoàng kim trong nghiên cứu enzyme và những thành tựu mang lại từ công nghệ enzyme. Nhờ ứng dụng các phương pháp mới như điện di, sắc kí, quang phổ, đánh dấu đồng vị phóng xạ,... các nhà khoa học đã nghiên cứu được cấu trúc và cơ chế hoạt động của enzyme, cơ chế điều hoà sinh tổng hợp enzyme và điều hoà hoạt động của enzyme trong tế bào. Từ đó, ngành công nghiệp sản xuất các chế phẩm enzyme đã ra đời và đem lại những sản phẩm phục vụ cho nhiều lĩnh vực của đời sống, phát triển nhiều ngành nghề mới liên quan đến công nghệ enzyme.

Những thành tựu trong công nghệ enzyme giai đoạn này phải kể đến những sự kiện sau:

- Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ nguyên liệu như bã mía, rơm rạ,...nhờ enzyme cellulase.

(Trang 29)

- Sản xuất được enzyme làm chín trái cây, tạo mùi hương thay thế các hợp chất hoá học độc hại như chlorophyllase làm chuyển màu trái cây từ xanh sang vàng, đỏ; enzyme pectinase làm mềm quả,...

- Nghiên cứu thành công enzyme phân huỷ rác thải nhựa trong thời gian ngắn, mở ra triển vọng xử lí môi trường bằng công nghệ enzyme trong tương lai.  ví dụ: enzyme PETase và MHETase xúc tác phân huỷ nhựa Polyethylene terephthalate (PET) thành các đơn phân. Phát hạt nhựa nằm để phân huỷ tự nhiên nhưng PETase có khả năng phân huỷ PET chỉ trong vài ngày.

- Trong lĩnh vực di truyền, phải kể đến sự ra đời của hệ enzyme giới hạn. Đây là các enzyme có khả năng nhận biết và cắt đoạn trình tự nucleotide đặc hiệu trên các phân tử DNA, tạo ra những đột phá về ứng dụng enzyme trong y học như tái tổ hợp gene (với sự tham gia của các enzyme nối, enzyme cắt giới hạn).

- Nghiên cứu cách mà một số loại vi khuẩn có khả năng “đề kháng” lại sự nhiễm virus, các nhà khoa học đã phát hiện ra hệ thống CRISPR/Cas9. Trong hệ thống này, enzyme Cas9 được kết hợp với một loại RNA (gọi là RNA hướng dẫn) để có thể cắt DNA ở những trình tự nucleotide xác định. Sau khi phát hiện ra hệ thống này, các nhà khoa học đã phát triển công nghệ tổng hợp nên hệ thống enzyme Cas9 được hướng dẫn bởi một loại RNA nhân tạo, có thể liên kết với gene mà con người muốn chỉnh sửa. Nhờ vậy, khi đưa hệ thống enzyme Cas9 đã sửa đổi như vậy vào tế bào, nó sẽ tìm đến gene mà người ta muốn làm bất hoạt để cắt. Sau khi DNA bị cắt, hệ thống enzyme sửa chữa của tế bào có gắng sửa chữa nhưng thường không thành công nên gene bị bất hoạt.

Đặc biệt, nhờ nghiên cứu thành công kĩ thuật biến đổi DNA dựa trên hệ thống CRISPR/Cas, các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu sử dụng hệ thống này để sửa chữa các sai hỏng DNA trong các bệnh lí di truyền ở người. Một hướng ứng dụng khác là trong các nghiên cứu tế bào gốc nhằm biệt hoá các tế bào gốc thành nhiều loại tế bào khác nhau nhờ điều chỉnh di truyền trong DNA. Ngoài ra, CRISPR/Cas còn có thể được sử dụng trong việc tạo ra các loài động vật và thực vật biến đổi gene với hiệu quả cao.

Hình 5.1. Hệ thống CRISPR/Cas9 có khả năng cắt DNA tại vị trí xác định.

Hiện nay, việc sản xuất các loại chế phẩm enzyme đã và đang phát triển mạnh mẽ trên quy mô công nghiệp. Các chế phẩm này đã được khai thác và tinh chế với mức độ tinh khiết theo tiêu chuẩn công nghiệp và ứng dụng. Một số loại enzyme đã được tinh chế như amylase, protease, catalase, cellulase, lipase, glucosidase,.... Chế phẩm enzyme đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, hoá học, chế biến thực phẩm, y dược, xử lí môi trường,....

(Trang 30)

II – CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME

Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein, được tổng hợp trong các tế bào sống. Enzyme có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng trong điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể mà không bị biến đổi sau phản ứng.

1. Enzyme có trung tâm hoạt động

Mỗi enzyme thường có một trung tâm hoạt động, đó là nơi enzyme liên kết đặc hiệu với cơ chất (chất chịu tác dụng của enzyme) để xúc tác cho phản ứng diễn ra. Với cơ chế hoạt động này, mỗi enzyme chỉ tác động lên một hay một số chất có cấu hợp không gian phù hợp nên chỉ xúc tác cho một hoặc một số phản ứng hoá học của cơ thể. Đây là tính đặc hiệu của enzyme.

Hình 5.2. Mô hình hoạt động của enzyme và cơ chất theo Koshland.

Cơ chất (Sucrose)

Trung tâm hoạt động

Enzyme

Enzyme và cơ chất tiếp xúc với nhau tại trung tâm hoạt động 

Enzyme biến đổi hình dạng cho phù hợp với cơ chất

Phức hợp enzyme - cơ chất

Phức hợp enzyme - sản phẩm

Sản phẩm tạo thành rời khỏi trung tâm hoạt động

Fructose Glucose

Sản phẩm

2. Enzyme có cấu trúc dị lập thể

Một số enzyme ngoài trung tâm hoạt động còn có các vùng cấu trúc khác gọi là vị trí dị lập thể. Tại vị trí này, các chất điều hoà không cạnh tranh có thể liên kết để ức chế hoặc tăng cường hoạt động của enzyme. Nhờ cơ chế này mà người ta có thể ứng dụng trong điều trị bệnh ở người hoặc sản xuất các chế phẩm mong muốn.

(Trang 31)

Hình 5.3. Mô hình hoạt động của enzyme caspase – một dạng enzyme dị lập thể.

Caspase bất hoạt

Trung tâm hoạt động 

Dạng hoạt động

Dạng bắt hoạt

Vị trí liên kết dị lập thể

Cơ chất

Chất ức chế dị lập thể

Dạng hoạt động có thể liên kết với cơ chất 

Chất ức chế dị lập thể khoá enzyme dạng bất hoạt 

3. Enzyme có điều khiển hoạt động ôn hoà

Enzyme cơ bản chất là protein và được tạo ra từ cơ thể sinh vật nên điều kiện thích hợp để enzyme hoạt động hiệu quả tương đồng giống với điều kiện trong cơ thể – nơi enzyme tiến hành hoạt động xúc tác. Bên cạnh đó, những yếu tố làm biến tính protein cũng có thể sẽ làm biến tính enzyme. Các điều kiện thích hợp cho hoạt động của enzyme được đưa ra trong bảng dưới đây.

Bảng 5. Điều kiện hoạt động của enzyme 

Các phản ứng hoá học xảy ra cần được cung cấp năng lượng. Năng lượng cần cung cấp để phản ứng có thể xảy ra được gọi là năng lượng hoạt hoá. Enzyme giúp giảm năng lượng hoạt hoá, nhờ đó tốc độ của phản ứng có thể tăng lên nhiều lần ngay trong điều kiện bình thường của cơ thể.

(Trang 32)

Enzyme có thể làm giảm năng lượng hoạt hoá của các chất tham gia phản ứng bằng các cơ chế: (1) Enzyme có trung tâm hoạt động cung cấp “chiếc khuôn” để các chất tham gia phản ứng tiếp cận và định hướng sao cho các liên kết hoá học có thể dễ dàng hình thành hoặc bị phá vỡ; (2) Trung tâm hoạt động của enzyme có thể hoạt động như chiếc kìm phân tử, kéo căng hoặc vặn xoắn các phân tử khiến các liên kết dễ đứt gãy cũng như dễ hình thành; (3) Trung tâm hoạt động của enzyme cung cấp vi môi trường thích hợp cho phản ứng dễ xảy ra; (4) Trung tâm hoạt động của enzyme tương tác trực tiếp thành dạng và các phân tử hoá học trung gian của các chất tham gia phản ứng vào trạng thái dễ phản ứng với nhau. Enzyme cũng có khả năng xúc tác chuyển hoá cho chất lượng cơ chất rất lớn chỉ với hàm lượng enzyme rất nhỏ. Ví dụ: Trong 1 phút, 1 mol enzyme catalase phân giải được 5.10⁶ mol cơ chất H₂O₂, trong khi cùng thời gian đó 1 mol chất xúc tác Fe³⁺ chỉ phân giải được 10⁵ mol H₂O₂; 1 g enzyme pepsin phân giải được tới 5 kg protein trùng trong 2 giờ. Do đó, enzyme được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất sẽ có hiệu quả cao, tiết kiệm được thời gian, giúp hạ giá thành sản phẩm.

4. Nguồn nguyên liệu sản xuất rẻ tiền, dễ kiếm

Nhiều chế phẩm enzyme được sản xuất từ nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền như quả đu đủ xanh, quả dứa,... hoặc có thể tận dụng từ nguồn phế phẩm như rác thải có nguồn gốc thực vật.

(Trang 33)

(Trang 34)