Giải Chuyên đề Sinh học 10 Cánh diều Bài 7: Cơ sở khoa học và một số thành tựu của công nghệ enzyme

- Để ứng dụng được enzyme cutinase trong thực tiễn, cần sử dụng công nghệ enzyme để sản xuất các chế phẩm sinh học chứa enzyme này rồi phổ biến lợi ích, cách sử dụng của các chế phẩm này vào đời sống.

- Các cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme:

(1) Enzyme là chất xúc tác sinh học, có nguồn gốc từ sinh vật.

(2) Enzyme có thể hoạt động bên ngoài tế bào và cơ thể sống trong điều kiện gần với điều kiện trong tế bào sinh vật đó.

(3) Enzyme xúc tác chuyển hóa đặc hiệu một hoặc một nhóm cơ chất thành sản phẩm.

(4) Phần lớn các chế phẩm enzyme hiện nay được sản xuất từ vi sinh vật do chúng có khả năng sinh trưởng nhanh, dễ điều khiển các hoạt động sinh tổng hợp protein.

(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 tổ hợp và công nghệ gene trở thành xu thế của công nghệ enzyme hiện đại, giúp phục vụ điều kiện công nghiệp khác nhau.

(6) Enzyme được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau có chất lượng và các đặc tính khác nhau.

- 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.

- Hiện tượng sủi bọt khí trong thí nghiệm A xảy ra mạnh nhất ở điều kiện nhiệt độ 25 $^{o}$C, thí nghiệm B xảy ra mạnh nhất ở 100 $^{o}$C.

- Dự đoán kết quả:

Sự khác biệt về ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả phản ứng phân hủy H$_{2}$O$_{2}$ tạo ra khí O$_{2}$ trong thí nghiệm A và B là do:

- Ở thí nghiệm A, chất xúc tác sinh học là enzyme catalase có trong gan gà sẽ xúc tác cho phản ứng phân giải H$_{2}$O$_{2.}$Enzyme catalase hoạt động mạnh nhất trong nhiệt độ khoảng 25 $^{o}$C, vì vậy có hiện tượng sủi bọt mạnh nhất. Khi nhiệt độ quá thấp (0 $^{o}$C), enzyme catalase bị giảm hoạt tính nên chỉ xuất hiện hiện tượng sủi bọt nhẹ. Khi nhiệt độ quá cao (100 $^{o}$C), enzyme catalase bị biến tính và mất khả năng hoạt động nên không có hiện tượng sủi bọt.

- Ở thí nghiệm B, phản ứng FeSO$_{4}$ tác dụng với H$_{2}$O$_{2}$ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao nên khi nhiệt độ càng tăng thì phản ứng xảy ra càng mạnh, do đó, hiện tượng sủi bọt mạnh nhất ở nhiệt độ 100$^{o}$C.

- 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,…

Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa khác so với chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược khác nhau về điều kiện hoạt động và chất lượng:

- Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa có thể hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao, pH kiềm; nhưng có độ tinh sạch thấp hơn.

- Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược hoạt động tốt trong môi trường cơ thể; có độ tinh sạch rất cao để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của thuốc.

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.

Một số chế phẩm enzyme được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp:

- Chế phẩm chymosin được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong nấm mốc Aspergillus niger, được dùng trong công nghiệp chế biến bơ và phô mai.

- Chế phẩm protease được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong E. coli, được ứng dụng thủy phân bã nấm men bia tạo peptide có hoạt tính sinh học.

- Chế phẩm phytase được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong nấm mốc Aspergillus niger, vi khuẩn E. coli, nấm men Saccharomyces cerevisiae,…, được ứng dụng để hỗ trợ tiêu hóa cho động vật nuôi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phân thải ra.