BÀI 5: KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ENZYME
I. THÀNH TỰU CỦA NGÀNH 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 cuộc sống (y học, thực phẩm, dệt nhuộm, chăn nuôi,
môi trường,...).
1. Giai đoạn khởi đầu của công nghệ enzyme
- Con người bước đầu tìm hiểu
bản chất của quá trình lên men và phát hiện enzyme là yếu tố tạo nên quá trình
này.
- Năm 1783, nhà bác học
Lazzaro Spallanzani đã dùng dịch vị dạ dày chứng minh sự tiêu hoá thức ăn trong
cơ thể là một quá trình biến đổi hoá học nhờ dịch vị chứ không chỉ là quá trình
cơ học đơn thuần.
- Ứng dụng ban đầu: Sử dụng
các chế phẩm protease thô từ thực vật như nhựa đu đủ để làm mềm thịt và hỗ trợ
điều trị vết thương.
2. Giai đoạn từ thế kỉ XIX đến những năm
30 của thế kỉ XX
- Đánh dấu sự ra đời của
thuật ngữ "enzyme" để gọi chung cho các chất xúc tác sinh học.
- Đạt được các thành tựu
tách chiết dịch enzyme thô:
+ Phát hiện nước chiết mầm
đại mạch có khả năng chuyển hoá tinh bột thành đường ở nhiệt độ phòng.
+ Thu nhận chế phẩm enzyme amylase
ở dạng dung dịch và dạng bột khô.
+ Tách chiết và tinh sạch
thành công một lượng lớn các enzyme khác nhau.
3. Giai đoạn những năm 30 của thế kỉ XX đến
nay
- Đây là giai đoạn hoàng
kim của công nghệ enzyme nhờ sự hỗ trợ của các thiết bị hiện đại (điện di,
sắc kí, quang phổ, đánh dấu phóng xạ,...).
- Các thành tựu đột phá bao
gồm:
+ Năng lượng sạch:
Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ phế phẩm nông nghiệp (bã mía,
rơm rạ, cỏ,...) nhờ enzyme cellulase.
+ Nông nghiệp & Thực phẩm:
Sản xuất enzyme làm chín trái cây đồng đều, tạo mùi hương tự nhiên thay thế hoá
chất độc hại; sử dụng pectinase để làm trong nước ép quả và mềm quả.
+ Xử lý môi trường:
Phát hiện và ứng dụng các enzyme đặc hiệu như PETase và MHETase
giúp phân huỷ rác thải nhựa PET (Polyethylene terephthalate) chỉ trong vòng vài
ngày thay vì hàng trăm năm trong tự nhiên.
+ Công nghệ gene & Y học:
Khai thác các enzyme giới hạn (restriction enzyme) và hệ thống CRISPR/Cas9
(như chiếc kéo sinh học siêu nhỏ) phối hợp với RNA dẫn đường để cắt dán, sửa chữa
chính xác các đoạn DNA lỗi, mở ra triển vọng chữa trị triệt để các bệnh di truyền
ở người.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
ENZYME
- Khái niệm cốt lõi:
Enzyme là chất xúc tác sinh học có bản chất là protein, được tổng hợp
trong các tế bào sống. Chúng có khả năng 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 đều có một
vùng cấu trúc không gian đặc biệt gọi là trung tâm hoạt động (active
site). Đây là nơi enzyme liên kết đặc hiệu với cơ chất (substrate) để tạo
thành phức hợp enzyme - cơ chất.
- Trung tâm hoạt động có
tính tương thích cấu hình không gian cao với cơ chất (theo mô hình "khớp cảm
ứng" của Koshland - cấu hình của trung tâm hoạt động có thể biến đổi linh
hoạt một chút để ôm khít lấy cơ chất khi tiếp xúc).
2. Enzyme có cấu trúc dị lập thể
- Một số enzyme bên cạnh
trung tâm hoạt động còn có các vùng cấu trúc phụ gọi là vị trí dị lập thể
(allosteric site).
- Khi các chất điều hoà (chất
hoạt hoá hoặc chất ức chế dị lập thể) liên kết vào vị trí này, chúng sẽ làm
thay đổi cấu hình không gian của trung tâm hoạt động:
+ Chất hoạt hoá: Giúp
trung tâm hoạt động mở ra hoặc phù hợp hơn với cơ chất → Tăng hoạt tính enzyme.
+ Chất ức chế:
Làm trung tâm hoạt động biến dạng, không liên kết được với cơ chất → Bất hoạt
enzyme.
3. Enzyme có điều kiện hoạt động ôn hoà
- Khác với các chất xúc tác
hoá học vô cơ cần nhiệt độ hoặc áp suất rất cao, enzyme hoạt động cực kì hiệu
quả trong các điều kiện sinh lí ôn hoà của cơ thể sinh vật.
- Bảng 5. Điều kiện hoạt động thích hợp của
enzyme:
|
Điều
kiện |
Giá
trị thích hợp |
|
Nhiệt độ |
Thông thường từ 30°C đến 50°C (một số sinh vật cực
đoan có enzyme chịu được 0°C hoặc lên đến 100°C) |
|
pH |
Phần lớn hoạt động tối ưu ở môi trường trung tính
(pH ≈ 7), tuy nhiên một số enzyme chuyên biệt hoạt động ở pH rất acid như
pepsin dạ dày (pH ≈ 2) hoặc kiềm |
|
Áp suất |
Áp suất khí quyển bình thường (760 mmHg) |
- Cơ chế làm giảm năng lượng hoạt hoá
(Eₐ):
+ (1) Tạo ra "chiếc
khuôn" định hướng cho các phân tử cơ chất tiếp cận nhau dễ dàng.
+ (2) Làm căng, kéo giãn hoặc
làm yếu đi các liên kết hoá học vốn có của cơ chất để dễ dàng đứt gãy.
+ (3) Cung cấp vi môi trường
cục bộ thích hợp cho phản ứng xảy ra nhanh chóng.
+ (4) Trực tiếp tham gia tạo
các liên kết tạm thời trung gian với cơ chất để định hướng phản ứng.
4. Nguồn nguyên liệu sản xuất rẻ tiền, dễ
kiếm
- Enzyme có thể được thu nhận,
tách chiết dễ dàng từ các nguồn nguyên liệu sinh học phong phú và giá thành thấp
như: vi sinh vật (nấm men, vi khuẩn), các bộ phận thực vật (quả dứa, quả đu đủ)
hoặc phụ phẩm từ lò mổ động vật (tuyến tuỵ, dạ dày).