Đề tài Ứng dụng của enzyme trong y học, trong phân tích và nghiên cứu

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Enzyme là chất xúc tác sinh học không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của mọi sinh vật, mà còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến thực phẩm, trong y học, kĩ thuật phân tích, trong công nghệ gen và trong bảo vệ môi trường. Cụ thể, trong bài tiểu luận này chúng em sẽ đề cập đến ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG Y HỌC, TRONG PHÂN TÍCH, NGHIÊN CỨU nhằm cung cấp thêm một số hiểu biết về vấn đề này. Trong quá trình làm tiểu luận, chúng em đã rất cố gắng trình bày những kiến thức kỹ thuật mới và có hệ thống. Tuy nhiên, chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của cô để rút kinh nghiệm cho những lần sau. MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ENZYME ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG Y HỌC II.1 Giới thiệu enzyme chữa bệnh. II.2 Ứng dụng trong chẩn đoán bệnh. II.3 Ứng dụng trong chữa bệnh và sản xuất thuốc. ỨNG DỤNG ENZYME TRONG PHÂN TÍCH III.1 Sử dụng enzyme để phân tích, định lượng các chất III.2 Ứng dụng enzyme trong phân tích thực phẩm III.3 Điện cực enzyme không tan ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG V.1 Ứng dụng khác của enzyme. V.2 Tình hình sử dụng enzyme trong nước và thế giới. KẾT LUẬN I. GIỚI THIỆU ENZYME: Enzyme là chất xúc tác cho phản ứng sinh hóa. Bản chất của enzyme là protein. Nhưng so với chất xúc tác cơ, enzyme có những đặc tính ưu việt hơn: Phản ứng thực hiện gần như có hiệu quả 100% và không kèm theo phụ phẩm thừa. Đồng thời có thể xảy ra nhiều phản ứng độc lập khác nhau, không bị rối bởi các sản phầm phụ. Vận tốc phản ứng nhanh hơn, cường độ xúc tác mạnh hơn. Điều kiện phản ứng ôn hòa, đại đa số xảy ra ở môi trường trung tính. Các phản ứng chịu sự điều hòa hợp lý và tiết kiệm nhất, tiêu tốn năng lượng là tối thiểu. Một đặc tính rất quan trọng nữa của enzyme là trong quá trình thực hiện phản ứng nó không bị phá hủy. Khi phản ứng xúc tác kết thúc, chúng được tự do và tiếp tục xúc tác các phân tử cơ chất mới. Chính vì vậy enzyme ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng của enzyme trong y học, trong phân tích, nghiên cứu. II. ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG Y HỌC II.1 Giới thiệu enzym chữa bệnh Enzym cũng như một số chất dùng trong chữa bệnh cho người và gia súc có những đặc tính không phù hợp chung như sau: Khối lượng phân tử lớn, khó qua màng tế bào. Dễ dàng bị phân huỷ trong đường tiêu hoá. Dễ bị mất hoạt tính sinh học do hoạt động ức chế của các chất hiện diện trong hệ dịch và trong mô. Có thể biểu hiện như một kháng nguyên. Tuy nhiên, enzym cũng có những đặc tính riêng, được sử dụng như một loại thuốc chữa bệnh có hiệu quả. II.2 Ứng dụng của enzym trong chuẩn đoán bệnh II.2.1 Ứng dụng enzym trong xác định nồng độ cơ chất Nồng độ cơ chất được xác định theo hai phương pháp: - Phương pháp xác định điểm cuối (end-point methods) - phương pháp đo tốc độ phản ứng (measurement of reaction rate) Phương pháp xác định điểm cuối Nguyên tắc: khi cho enzym tác động vào cơ chất, cơ chất sẽ giảm và sản phẩm cuối sẽ tăng lên. Ta có thể xác định được những chỉ số này. Đối với nồng độ cơ chất thấp hơn giá trị của của hằng số Michaelis (Km), tốc độ phản ứng tuân theo phương trình sau: u = es x u/Km Thời gian cần cho kết thúc phản ứng phụ thuộc vào tốc độ phản ứng và hằng số (Km) của enzym sử dụng. · Phương pháp xác định glucose với glucose-oxydase Trong phản ứng đầu tiên, glucose bị oxy hoá bởi glucose-oxydase (EC.1.1.3.4), tạo thành peroxide hydro theo phương trình sau: glucose + O2 + H2O glucose-oxidase 10 UI/ml gluconate + H2O2 Trong phản ứng thứ hai peroxide hydro, dưới tác dụng của enzym horse-radish peroxidase (EC.1.11.1.7) sẽ tạo màu theo phản ứng sau: H2O2 + chromogen horse-radish peroxidase màu + H2O Trong phân tích này, 2,2’-azino-bis (3-ethyl 2,3-dihydrobenzothiazol sulfonate (ABTS) ) được sử dụng như chromogen. · Phương pháp xác định urea Urea bị thuỷ phân bởi urease (EC.3.5.3.1) ở 0.7 UI/ml. Và amoniac được tạo thành khi cho enzym glutamate dehydrogenase (EC.1.4.1.3) có hoạt tính 6.2 UI/ml tác động. Urea + H2O 2NH3 + CO2 2-Cetoglutarate + 2NH4+ + 2NADH 2L-glutamate + 2NAD+ + 2H2O Phương pháp động học (kinetic methods) Phương pháp này chỉ xác định nồng độ cơ chất dưới giá trị Km · Xác định glucose: D–glucose + ATP D–glucose–6–phosphate + ADP D–glucose–6–phosphate + NADP+ D–glucono–d–lactose – 6 – phosphate + NADPH + H+ Ở phản ứng đầu, glucose được phosphoryl hóa bởi hexokinase(EC.2.7.1.1), sau đó glucose–6–phosphate bị hydrogen hóa bởi tác động của glucose–6–phosphate dehydrogenase (EC.1.1.1.49). Sự tạo thành NADPH sẽ được xác định bằng máy quang điện. · Xác định triglyceride: Triglyceride + 3 H2O glycerol + 3 acid béo Glycerol + ATP glycerol–3–phosphate + ADP ADP + phosphoenolpyruvate ATP + pyruvate Pyruvate + NADH + H+ L–lactate + NAD+ Chất béo được thủy phân bằng lipase(EC.3.1.1.3) carboxylesterase (EC.3.1.1.1) tạo ra glycerol và sẽ được phosphoryl hóa bởi glycerol kinase(EC.2.7.1.30), ADP tạo thành sẽ tiếp tục được phosphoryl hóa đến ATP với phosphoenolpyruvate và pyruvate kinase(EC.2.7.1.40), cuối cùng pyruvate được hydrogen hóa bởi L–lactate dehydrogenase (EC.1.1.1.27) và NADH giảm dần. II.1.2 Xác định hoạt tính của enzym Xác định hoạt tính của alkaline phosphatase (EC.3.1.3.1) 4–nitrophenylphosphate + H2O phosphate + 4–nitrophenolate Ở pH tối ưu 9.8 sản phẩm sẽ phân tán và tốc độ phản ứng sẽ tăng theo độ hấp thụ ở bước sóng 405 nm. Xác định hoạt tính của creatine kinase (EC.2.7.3.2) creatine phosphate + ADP createne + ATP ATP tạo thành trong phản ứng này nhờ xúc tác của enzym creatine kinase. II.1.3 Thực hành miễn dịch Enzym được sử dụng ở đây để xác định hỗn hợp kháng nguyên-kháng thể, tạo thành trong phản ứng miễn dịch. Ta có thể sử dụng máy so màu quang điện, hùynh quang để xác định phản ứng. Alkaline phosphatase Enzym này được ứng dụng trong phản ứng miễn dịch. Để xác định hoạt tính alkaline phosphatase có thể sử dụng máy huỳnh quang với 4–methylumbelliferyphosphate làm cơ chất. enzym này thường được sử dụng với hoạt tính 2500UI/mg ở nhiệt độ 370C b-galactosidase (EC.3.2.1.23) Hoạt tính của b-galactosidase được đo bằng máy quang điện với 4-methylumbelliferyl-b-galactosidase hoặc 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-b-galactoside. Horseral peroxidase (EC.1.11.1.7) Enzym này chứa hai đến ba nhóm họat động aminE trong phân tử và chứa 12-14.5% carbohydrate. Xác định hoạt tính enzym này bằng máy quang điện với cơ chất thường sử dụng là chromogen-2,2’-azinobis hay 3-ethylbenzothiazoline-sulfonate (ABTS) Trong miễn dịch người ta thường sử dụng cơ chấtlà 3,3’ hay 5,5’-tetramethyl benzidine. II.3 Ứng dụng trong chữa bệnh và sản xuất thuốc: Hiện nay, enzym được sử dụng chủ yếu chữa các bệnh như sau: Enzym như chất cho thêm vào cơ thể để chữa bệnh kém tiêu hoá. Enzym được sử dụng như chất làm sạch vết thương và làm lành vết thương. Enzym được sử dụng trong các phản ứng miễn dịch. Dùng enzyme làm thuốc ví dụ protease làm thuốc tắc nghẽn tim mạch, tiêu mủ vết thương, làm thông đường hô hấp, chống viêm, làmthuốc tăng tiêu hóa protein, thành phần của các loại thuốc dùng trong daliễu và mỹ phẩm… Trong y học các protease cũng được dùng để sản xuất môi trườngdinh dưỡng để nuôi cấy vi sinh vật sản xuất ra kháng sinh, chất khángđộc… Ngoài ra người ta c.n dùng enzyme protease để cô đặc và tinh chếcác huyết thanh kháng độc để chữa bệnh. Amylase được sử dụng phối hợp với coenzyme A, cytocrom C,ATP, carboxylase để chế thuốc điều trị bệnh tim mạch, bệnh thần kinh, phối hợp với enzyme thủy phân để chữa bệnh thiếu enzyme tiêu hóa. Phát hiện enzyme giúp điều trị bệnh Alzheimer Các nhà khoa học Mỹ vừa phát hiện một enzyme có thể chữa lành các tế bào não bị bệnh Alzheimer - một chứng bệnh mất trí nhớ. Nhóm nghiên cứu tại Trường ĐH Columbia đặt tên cho enzyme này là Uch-L1. Alzheimer là căn bệnh ăn mòn trí nhớ con người. Theo nhóm nghiên cứu, não người bị tác động bởi bệnh này có khuynh hướng giảm Uch-L1. Trong nghiên cứu của mình, nhóm đã tiêm Uch-L1 vào não của chuột thí nghiệm bị bệnh Alzheimer. Kết quả họ phát hiện enzyme này đã giúp trí nhớ của loài gặm nhấm này phục hồi. Điều đặc biệt là enzyme này không tiêu diệt các protein amyloid beta bám ở não - được cho là nguyên nhân gây ra bệnh Alzheimer - mà làm cho nó trở nên bình thường và không có hại cho trí nhớ. Theo nhà nghiên cứu Ottavio Arancio, điều này rất quan trọng bởi protein amyloid beta giữ một vai trò quan trọng trong cơ thể. Hiện các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu hơn trước khi đưa enzyme này vào thử nghiệm ở con người. Dù vậy, họ tỏ ra rất lạc quan bởi hiệu quả điều trị của nó. Tính đến nay đã có hàng triệu người trên thế giới mắc bệnh Alzheimer, trong đó chỉ riêng tại Mỹ có 4,5 triệu bệnh nhân, và số lượng người bệnh dự kiến sẽ bùng nổ trong vài thập kỷ tới khi số người già tăng lên, trong khi một số loại thuốc điều trị hiện có hầu như ít có tác dụng. Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các nhà khoa học phát triển loại thuốc mới điều trị bệnh Alzheimer hiệu quả hơn. Nhận dạng enzym chống dị ứng nặng Một nghiên cứu của Canada vừa khẳng định rằng nồng độ của một enzym trong máu ảnh hưởng đến tính nghiêm trọng của các phản ứng dị ứng. Vai trò của enzym này từng được chứng minh ở loài động vật, nhưng nghiên cứu mới trên lần đầu tiên khẳng định hiện tượng này ở người. Các nhà nghiên cứu thuộc các trường Đại học Toronto và Manitoba đã chứng minh rằng những người có nồng độ enzym acyl-hydrolase PAF trong máu thấp bị phản ứng dị ứng nặng hơn so với những người có nồng độ enzym này thấp hơn. Theo tác giả nghiên cứu Peter Vadas, enzym này tiêu hủy một hóa chất được gọi là thành phần hoạt hóa tiểu cầu. Hóa chất này được hình thành trong quá trình phản ứng dị ứng. Những người có nồng độ enzym acyl-hydrolase PAF thấp không thể làm trung hòa hóa chất PAF nhất để ngăn ngừa phản ứng dị ứng nặng. Phát hiện này có thể giúp điều chế những loại thuốc chống dị ứng do thức ăn gây nguy cơ chết người tiềm ẩn như đậu phộng, các loại hải sản, hay một số phản ứng do thuốc hoặc vết chích côn trùng. III. ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG PHÂN TÍCH: III.1 Sử dụng enzyme để phân tích, định lượng các chất: Có thể xác định các chất đặc biệt với hàm lượng rất thấp và bị lẫn với các chất tương tự về mặt hóa học, mà với phương pháp hóa học khó lòng xác định định được chính xác. Có thể phân tích các chất không bền, sử dụng enzyme để phân tích có thể tiến hành ở những điều kiện nhẹ nhàng về pH ( gần trung tính), nhiệt độ ( gần nhiệt độ phòng). Có thể sử dụng enzyme để định lượng cơ chất, coE, các chất hoạt hóa, các chất kìm hãm enzyme. III.1.1 Những nguyên tắc chung khi sử dụng enzyme để phân tích: Xác định cơ chất enzyme: thông qua việc xác định sản phẩm được tạo thành dưới tác dụng của enzyme. Do đó phải tạo điều kiện như thế nào để toàn bộ cơ chất được chuyển hóa thành sản phẩm, và co sự phụ thuộc tuyến tính giữa vận tốc đầu phản ứng với nồng độ chất cần phân tích, cụ thể như sau: Nồng độ enzyme phải đủ cao. Nồng độ cơ chất đủ thấp để đảm bảo phản ứng tiến hành là pản ứng bậc một, chỉ phụ thuộc vào nồng độ cơ chất cần xác định. Khi cần thiết phải thử với các nồng độ cơ chất khác nhau để lựa chọn nồng độ thích hợp đạt yêu cầu phân tích. Nếu sử dụng enzyme cần coE thì nồng độ coE phải đủ lớn để đảm bảo không làm thay đổi đặc tính của phản ứng bậc một. Phải đảm bảo sản phẩm phản ứng ( hoặc đồng sản phẩm phản ứng, ví dụ NADPH, NADH đối với cá phản ứng trong đó NADP+ hoặc NAD+ là cơ chất hoặc cofactor) hoàn toàn không có mặt khi phản ứng chưa bắt đầu. Nếu như vậy thì phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ cơo chất ban đầu ( ví dụ NAD+ hoặc NADP+) mà ta cần phân tích, và có thể đo trực tiếp sản phẩm được tạo thành ( đo độ hấp thụ của NADH ở 340 nm, vì NAD+ hoặc NADP+ không hấp thụ ở bước sóng này) để tính nồng độ cơ chất ban đầu. Nói chung việc sử dụng enzyme để định lượng cơ chất của nó được tiến hành thuận lợi khi sản phẩm của phản ứng có thể được định lượng dễ dàng. III.1.2 Một số ví dụ: Xác định cơ chất sử dụng amylase (sau đó kết hợp với thủy ngân bằng acid) để định lượng tinh bột sẽ cho kết quả chính xác hơn khi dùng acid (vì một số polysaccharide khác như hemicellululose cũng bị thủy phân bởi acid ở các điều kiện giống với tinh bột). Xác định coE, vì coE có vai trò như là chất đồng cơ chất nên có thể định lượng coE theo cách hoàn toàn giống như định lượng cơ chất. Xác định chất hoạt hóa enzyme: có thể sử dụng enzyme để định lượng chất hoạt hóa của nó trong trường hợp nó có sự phụ thuộc tuyến tính giữa vận tốc đầu phản ứng với một khoảng nồng độ thấp của chất hoạt hóa, ở nồng độ enzyme, cơ chất và nồng độ coE giữ cố định khi tiến hành phản ứng. Ở nồng độ chất hoạt hóa cao, toàn bộ phân tử enzyme được hoạt hóa, vận tốc đầu phản ứng (vo) đạt cực đại. Lập đồ thị chuẩn biểu diễn ảnh hưởng của chất hoạt hóa đến v, từ đó tính nồng độ của chất hoạt hóa trong dung dịch phân tích. V0 Nồng độ chất hoạt hoá Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của v0 vào nồng độ chất hoạt hoá Nồng độ E,S và coE (nếu có) giữ cố định Dựa vào đồ thị ta thấy nên pha loãng dung dịch có chứa chất hoạt hóa cần phân tích sao cho vo nằm trong phần thẳng của đường biểu diễn để có thể có được kết quả phân tích chính xác. Ví dụ: Mn2+ là chất hoạt hóa isocitrate dehydrogenase, sử dụng enzyme này có thể xác định chính xác hàm lượng Mn2+ ở nồng độ rất thấp. Xác định các chất kìm hãm enzyme, tiến hành xác định ở những điều kiện đã nêu giống như khi xác định chất hoạt hóa, lập đồ thị chuẩn với các nồng độ I khác nhau. Tiến hành xác định chất kìm hãm (I) trong dung dịch nghiên cứu, đối chiếu với đồ thị chuẩn và tính hàm lượng I trong mẫu nghiên cứu. Có thể lập đồ thị chuẩn theo 2 cách: vo đối với [I], hoặc tính % bị kìm hãm theo sự tăng nồng độ I. Đôi khi người ta cũng dùng I50 để biểu diễn nồng độ các chất kìm hãm làm giảm 50% hoạt độ ở những điều kiện xác định. Ví dụ: sử dụng cacboxyl esterase của gan để định lượng fluoride trong dung dịch có lượng lớn phosphate ( vì phosphate ảnh hưởng đến việc xác định chính xác fluoride khi dùng phương pháp hóa học). Nguyên lý thử như sau: enzyme acetylcholinesterase (AchE) xúc tác thủy phân cơ chất acetylcholin thành cholin và axetic. Acid acetic sẽ phản ứng với chất chỉ thị màu màu vàng. Nếu mẫu phân tích có thuốc trừ sâu lẫn hữu cơ, cacbamat sẽ kìm hãm hoạt động của AchE, hàm lượng acid acetic giảm, màu sẽ thay đổi. Dựa vào sự đổi màu so với mẫu đối chứng (không có thuốc trừ sâu) hoặc dựa vào thang màu chuẩn có thể định tính hoặc bán định lượng thuốc trừ sâu trong mẫu phân tích. Nếu enzyme bị kìm hãm đặc hiệu, nhạy với một chất nào đó, có thể dùng enzyme để phát hiện và định lượng chất đó. Ví dụ: sử dụng acetylcholineesterase để phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu nhóm phospho hữu cơ. Các chất độc thần kinh,… Do enzyme có thể bị kìm hãm hoặc hoạt hóa bởi nhiều chất khác như ion kim loại do đó khi sử dụng enzyme để định lượng các chất cần lưu ý đến các chất này mới có kết quả chính xác được. %Kìm hãm 100 Không thuận nghịch V0 Thuận nghịch Thuận nghịch Không thuận nghịch a) b) [I] [II] Lập đồ thị chuẩn để xác định chất kìm hãm enzyme trong dung dịch nghiên cứu vo đối với [I] % hoạt độ bị kìm hãm ở các chất [I] khác nhau. Vo vận tốc đầu phản ứng không có I, voi vận tốc đầu phản ứng có, xác định ở cùng điều kiện giống nhau. Đồ thị trên cũng cho thấy: khi sử dụng enzyme để định lượng các chất kìm hãm, cần pha loãng dung dịch sao cho có được sự phụ thuộc tuyến tính giữa vận tốc với nồng độ chất kìm hãm (đoạn đầu của đường biểu diễn). Các I không thuận nghịch, theo định nghĩa sẽ làm mất hoàn toàn (kìm hãm 100%) hoạt độ enzyme khi nồng độ của nó đủ lớn, còn đối với chất I thuận nghịch thì dù nồng độ cao bao nhiêu cũng không kìm hãm 100% được. III.2 Ứng dụng của enzyme trong phân tích thực phẩm: III.2.1. Xác định cacbohydrate Trong thực phẩm, cacbohydrate chieám khối lượng lớn và đóng vai trò quan trọng trong dinh dưỡng. Các loại đường là những đối tượng được phân tích thường xuyên. ôGlucose : được xác định bằng phương pháp enzym hexokinase. Phản ứng của quá trình đó xảy ra như sau: D-glucose + ATP hexokinase ADP + glucose-6-phosphate glucose-6-phosphate + NADP+ glucose-6-phosphate dehydrogenase D-glucose-6-phosphate + NADPH + H+ ôFructose : enzym hexokinase cũng tác động lên fructose. Ta có thể xác định fructose sau khi xác định glucose. D-glucose + ATP ADP + fructose-6-phosphate fructose-6-phosphate glucose phosphate isomerase glucose-6-phosphate ô Galactose : được xác định theo phản ứng sau D-galactonic acid + NADH + H+ galactose dehydrogenase D-galactose + NAD+ ô Mannose : xác định mannose tự do theo phương trình phản ứng sau D-mannose + ATP hexokinase ADP + mannose-6-phosphate mannose-6-phosphate phosphomannose isomerase fructose-6-phosphate ô Saccharose : thường không có trong tế bào động vật. Saccharose + H2O P–fructosidase D-glucose + D-fructose ô Maltose : xác định maltose theo phương trình phản ứng sau Maltose + H2O a-glucosidase 2-D-glucose ôLactose : thường có trong sữa. Lactose + H2O b-galactosidase D-galactose + D-glucose ôRafinose : rafinose có trong củ cải đường. Rafinose + H2O a-galactosidase D-galactose + saccharose ôTinh bột : tinh bột có nhiều trong thực vật và có cả ở một số loài vi sinh vật. Xác định tinh bột theo phương trình phản ứng sau. Tinh bột + (n-1)H2O amyloglucosidase n D-glucose III.2.2. Xác định acid hữu cơ Acid hữu cơ và muối của chúng có nhiều trong nguyên liệu và sản phẩm thực phẩm. Chúng đóng vai trò rất quan trọng trong sinh lý người, động vật, thực vật và vi sinh vật. Chúng còn được tạo ra do quá trình lên men. ôAcetic acid : Thuộc nhóm acid bay hơi, người ta sử dụng enzym để xác định acetic acid. Acetate có nhiều trong vang. Acetate + ATP + CoA acetyl-CoA-synthetase Acetyl-CoA + AMP + Pyrophosphate Acetyl-CoA + oxaloacetate + H2O citrate synthetase citrate + CoA L-malate + NAD+ L-malate dehydrogenase oxaloacetate + NADH + H+ Phản ứng sau cùng được xem như phản ứng chỉ thị. ô Ascorbic acid : giống như vitamin, ascorbic acid đóng vai trò sinh học lớn trong sinh lý người và động vật. Chúng được sử dụng như chất phụ gia trong thực phẩm. Người ta sử dụng enzym để xác định ascorbic acid. L-ascorbic acid (XH2) + MTT PMS dehydro ascorbic acid (X) + formazan + H+ PMS: 5-methylphenazinium sulfate MTT: 3-(4,5 dimethylthiazolyl-2)-2,5-diphenyltetrazolium bromide Ascorbate được oxy hóa tiếp: L-ascorbic acid ascorbate oxidase dehydro ascorbic acid + H2O Người ta thường xác định ascorbic acid trong nước quả, trong rau, quả, trong sữa, trong sản phẩm thịt. dehydro ascorbic acid + dithiothreitol (chất khử) L-ascorbic acid + dithiothreitol (chất oxy hóa) ôAspartic acid : có nhiều trong nước táo và được xác định theo phản ứng sau. L-aspartate + a-oxoglutarate GOT oxaloacetate + L-glutamate Oxaloacetate + NADH + H+ LMDH L-malate + NAD+ ô Citric acid : đóng vai trò cơ bản trong trao đổi chất ở sinh vật. Chúng có nhiều trong trái cây, trong sữa và được xác định theo phươngtrình sau. Citrate citrate (pro-35) lyase oxaloacetate + acetate ôAscorbic acid : giống như vitamin, ascorbic acid đóng vai trò sinh học lớn trong sinh lý người và động vật. Chúng được sử dụng như chất phụ gia trong thực phẩm. Người ta sử dụng enzym để xác định ascorbic acid. L-ascorbic acid (XH2) + MTT PMS dehydro ascorbic acid (X) + formazan + H+ PMS: 5-methylphenazinium sulfate MTT: 3-(4,5 dimethylthiazolyl-2)-2,5-diphenyltetrazolium bromide Ascorbate được oxy hóa tiếp: L-ascorbic acid ascorbate oxidase dehydro ascorbic acid + H2O Người ta thường xác định ascorbic acid trong nước quả, trong rau, quả, trong sữa, trong sản phẩm thịt. dehydro ascorbic acid + dithiothreitol (chất khử) L-ascorbic acid + dithiothreitol (chất oxy hóa) ô Aspartic acid : có nhiều trong nước táo và được xác định theo phản ứng sau. L-aspartate + a-oxoglutarate GOT oxaloacetate + L-glutamate Oxaloacetate + NADH + H+ LMDH L-malate + NAD+ ô Citric acid : đóng vai trò cơ bản trong trao đổi chất ở sinh vật. Chúng có nhiều trong trái cây, trong sữa và được xác định theo phươngtrình sau. Citrate citrate (pro-35) lyase oxaloacetate + acetate ôFormic acid : là sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn và của nấm sợi. Acid này được xem như là chất bảo quản thực phẩm nhưng phải tuân thủ nghiêm ngặt an toàn và vệ sinh thực phẩm. acid formic được xác định theo phương trình sau. Formate + NAD+ + H2O formate dehydrogenase hydrogencarbonate +NADH + H+ ôGluconic acid : sử dụng enzym gluconate kinase để xác định. D-gluconate + ATP gluconate kinase D-gluconate-6-phosphate + ADP D-gluconate-6-phosphate + NADP+ 6.PGDH D-ribulose-5-phosphate + NADPH + H+ + CO2 (6.PGDH : 6-phosphogluconic acid dehydrogenase) ôGlutamic acid : enzym được sử dụng là glutamate dehydrogenase L-glutamate + NAD+ + H2O glutamate dehydrogenase a-oxoglutarate + NADH + NH4+ ô3-hydroxybutyric acid : Trong trứng có nhiều 3-hydroxybutyric acid. Enzym sử dụng là 3-hydroxybutyrate dehydrogenase (3-HBDH) D-3-hydroxybutyrate + NAD+ 3-HBDH acetoacetate + NADH + H+ ôIsocitric acid : sử dụng enzym isocitrate dehydrogenase . D-isocitrate + NADP+ isocitrate dehydrogenase a-oxoglutarate + NADH + CO2 + H+ ôLactic acid : lactic acid được tạo ra nhiều trong quá trình lên men. L-lactate + NAD+ L-lactate dehydrogenase pyruvate + NADH + H+ D- lactate + NAD+ L-lactate dehydrogenase pyruvate + NADH + H+ ôMalic acid : có nhiều trong nho, trong rau, quả khác. Sử dụng enzym malate dehydrogenase và NAD+ L-malate + NAD+ malate dehydrogenase oxaloacetate + NADH + H+ Oxaloacetate + L-glutamate GOT L-aspartate + a-oxoglutarate ôOxalic acid : oxalid acid đóng vai trò quan trọng trong hấp thụ calcium của cơ thể người. Oxalate oxalate dehydrogenase formate + CO2 ôPyruvic acid : là một acid cơ bản trong chu trình chuyển hóa ở mọi cơ thể. Enzym được sử dụng là L-lactate dehydrogenase Pyruvate + NADH + H+ L-lactate dehydrogenase L-lactate + NAD+ ôSuccinic acid : là một acid quan trọng trong chu trình tricarboxylic acid. Succinate + ITP + CoA succinyl-CoA-synthetase IDP + Succinyl-CoA + P IDP + PEP pyruvate kinase ITP + pyruvate III.2.3. Xác định alcohol ô Ethanol : ethanol là sản phẩm lên men đường bởi nấm men. Ngoài những phương pháp bình thường, người ta còn dùng enzym để xác định ethanol. Ethanol + NAD+ alcohol dehydrogenase (ADH) acetaldehyde + NADH + H+ ôGlycerol : glycerol phổ biến nhiều trong thiên nhiên và có nhiều trong quá trình lên men. Glycerol + ATP glycerol kinase glycerol-3-phosphate + ADP ADP + PEP pyruvate kinase ATP + pyruvate ôAlcohol đường : · Người ta xác định sorbitol bằng enzym sorbitol dehydrogenase. D-sorbitol + NAD+ sorbitol dehydrogenase D-fructose + NADH + H+ · Tương tự, người ta cũng xác định xylitol bằng enzym sorbitol dehydrogenase Xylitol + NAD+ sorbitol dehydrogenase xylulose + NADH + H+ III.3.4. Xác định các thành phần khác ô Cholesterol : cholesterol là một steroid có ý nghĩa rất lớn trong sinh lý người và động vật. Các phản ứng xác định cholesterol như sau. Cholesterol + O2 cholesterol oxidase cholestenone + H2O2 H2O2 + methanol catalase formaldehyde + 2H2O Formaldehyde + NH4+ + 2 acetylacetone lutidine + 3H2O ô Triglyceride : xác định triglyceride bằng esterase và lipase. Triglyceride + 3H2O esterase và lipase glycerol + 3 acid béo ôAcetaldehyde : đây là chất tạo mùi cho bia, yaourt và các loại nước giải khát. Acetaldehyde + NAD+ + H2O acetaldehyde dehydrogenase acetic acid + NADH + H+ ôAmoniac : người ta sử dụng enzym glutamate dehydrogenase a-oxoglutarate + NADH + H+ + NH4+ glutamate dehydrogenase L-glutamate + NAD+ + H2O ôNitrate: enzym được sử dụng để xác định nitrate là nitrate reductate. Nitrate + NADPH + H+ nitrate reductate nitrite + NADP+ + H2O ôSulfite : enzym được ứng dụng để xác định sulfite là sulfite oxidase. SO32- + O2 + H2O sulfite oxidase SO42- + H2O2 H2O2 + NADH + H+ NADH-peroxidase 2H2O + NAD+ ôCreatine và Creatinine : hai chất này có trong cơ. Creatinine + H2O creatininase creatine Creatine + ATP creatine kinase creatine phosphate + ADP ô Lecithin : (phosphotidylcholine) là một phospholipide quan trọng. Lecithin + H2O phospholipase C 1,2-diglyceride + phosphorylcholine Phosphorylcholine + H2O alkaline phosphatase choline + Pi Choline + ATP choline kinase phosphorylcholine + ADP Urea : người ta sử dụng urease để xác định urea. Urea + H2O urease 2NH3 + CO2 III.3. Điện cực enzyme không tan III.3.1. nguyên tắc cấu tạo và hoạt động: Thành phần cấu tạo sinh học của điện cực này là enzyme, được cố định trên bề mặt của điện cực, đáp ứng với nồng độ của một trong các cơ chất, hoặc các sản phẩm của phản ứng do enzyme xúc tác. Enzyme có thể là lớp gel ( enzyme không tan giữ trong gel) mỏng bao xung quanh cảm biến điện hóa hoặc tiếp xúc với cảm biến này nhờ màng thấm chọn lọc. Cơ chất đi qua lớp gel hay màng chọn lọc, tiếp xúc với enzyme và chuyển hóa thành sản phẩm. Ví dụ: phản ứng oxi hóa-khử các chất do oxidoreductase xúc tác, các điện tử của phản ứng được vận chuyển từ chất phản ứng đến điện cực, tạo ra tín hiệu điện. Tín hiệu điện có thể được phát hiện bằng cách đo dòng điện (amperometric biosensor), hoặc đo điện thế (potentiometric biosensor). III.3.2. Một số ví dụ về ứng dụng điện cực enzyme để phân tích các chất: Điện cực enzyme được dùng để xác định nồn độ nhiều chất khác nhau như: glucose, một số acid hữu cơ (acid acetic, acid pyruvic, acid lactic, acid fomic,…) amino acid, các lipid, penicillin, và alcohol, … trong số các biosensor ứng dụng trong lâm sàng, glucose biosensor được ứng dụng rộng rãi nhất để xác định glucose trong máu. IV. ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG NGHIÊN CỨU: Do enzyme có vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống nên nghiên cứu enzyme là một trọng tâm của sinh hóa học, dẫn đến môn enzyme học. Có người cho rằng : “sự sống có thể định nghĩa là hệ thống tích hợp, được điều phối của các phản ứng enzyme”. Nghiên cứu enzym của ếch để điều trị ung thư Theo các nhà khoa học Anh và Mỹ, một enzyme trong tế bào trứng ếch có triển vọng rất lớn trong điều trị ung thư, đặc biệt là ung thư não. Liệu pháp mới này đang được thử nghiệm tiền lâm sàng. Các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bath (Anh) và công ty Alfacell (Mỹ) đã phân lập và thử nghiệm thành công amphinase, một phiên bản của enzyme ribonuclease từ tế bào trứng của loài ếch Northern Leopard (Rana pipiens). Ribonuclease là một loại enzyme có trong tất cả mọi sinh vật và có nhiệm vụ thu dọn các dải tế bào trôi tự do của phân tử RNA (ribonucleic acid) bằng cách thâm nhập vào phân tử này và cắt nó ra thành những đoạn ngắn. Ở động vật hữu nhũ, hoạt động của enzyme này được kiểm soát chặt chẽ bằng các chất ức chế nên nó không gây nguy hại gì. Nhưng amphinase là một ribonuclease của ếch – một loài động vật lưỡng cư chứ không phải loài hữu nhũ – nên amphinase vượt qua được các phân tử gây ức chế của loài hữu nhũ để phá hủy tế bào ung thư. Kết quả thử nghiệm cho thấy amphinase có khả năng nhận ra một lớp đường đặc thù trên tế bào ung thư và bám chặt vào đó, rồi tìm cách thâm nhập vào bên trong tế bào để tấn công. Khi vào được bên trong tế bào ung thư, phân tử amphinase sẽ phá vỡ hoạt động bình thường của tế bào và giết chết tế bào bằng cách làm đứt rời các chuỗi RNA – chất liệu di truyền có nhiệm vụ chuyển tải những chỉ thị của DNA đến cơ quan sản xuất protein trong tế bào. Loại enzyme có trong loài ếch Northern Leopard có tác dụng điều trị ung thư, nhất là ung thư não. (Ảnh: Biology.mcgill.ca) Mặc dù có khả năng tiềm tàng trong điều trị nhiều bệnh ung thư, nhưng amphinase được đánh giá là mở ra cơ hội lớn nhất trong điều trị ung thư não – một loại ung thư mà chỉ có thể được can thiệp bằng phẫu thuật và hóa trị liệu rất phức tạp. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng amphinase sẽ dẫn đến việc ra đời của loại thuốc đầu tiên trị ung thư não. Theo giáo sư Ravi Acharya, thuộc Khoa Sinh học và Hóa sinh học của Đại học Bath, kết quả thử nghiệm cho thấy amphinase “có khả năng rất cao trong việc tìm kiếm, thâm nhập và phá hủy các khối ung thư.” Ông nói: “Đây là một phân tử hoạt động rất mạnh mẽ. Nó giống như một viên đạn kỳ diệu của Đấng Tạo hóa có khả năng nhắm vào tế bào ung thư để tiêu diệt”. Theo ông, enzyme này “có thể tổng hợp được dễ dàng trong phòng thí nghiệm và có triển vọng trở thành một loại thuốc điều trị ung thư trong tương lai”. Theo nhóm nghiên cứu, thuốc được bào chế từ amphinase sẽ được tiêm trực tiếp vào vùng có khối u và không gây hại cho các tế bào lành mạnh xung quanh, vì amphinase chỉ phát hiện và tấn công tế bào ung thư mà thôi. Tuy nhiên, giáo sư Acharya cho biết: “Việc thử nghiệm amphinase chỉ mới ở giai đoạn đầu, và phải mất vài năm nữa mới có thể có một loại thuốc như thế. Và thuốc đó phải qua những thử nghiệm lâm sàng qui mô lớn để được chứng minh là an toàn và hiệu quả trong điều trị ung thư”. Amphinase là phiên bản thứ 2 của enzyme ribonuclease do Alfacell Corporation phân lập từ trứng ếch Rana pipiens. Phiên bản đầu tiên là ranpirnase, hiện đang được thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 3 trong điều trị u trung biểu mô ác tính không thể cắt bỏ được – một dạng hiếm và nguy hiểm của ung thư phổi. Hai giai đoạn thử nghiệm trước đó tập trung vào ung thư phổi không phải tế bào nhỏ và các khối u cứng khác. Amphinase là phiên bản thứ 2 của enzyme ribonuclease được phân lập từ trứng ếch Northern Leopard. (Ảnh: Wikipedia) Ông Kuslima Shogen, Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc Alfacell Corporation, cho biết “ông rất hài lòng trước thành quả tuyệt vời mà giáo sư Acharya và các cộng sự đã đạt được”.  Ông cho rằng: “Nghiên cứu này rất quan trọng đối với việc tìm hiểu và phát triển những liệu pháp mới dựa trên ribonuclease, mở ra cơ hội điều trị cho người bị ung thư hoặc mắc các bệnh nguy hiểm khác”. Hiện nay, Alfacell Corporation đang tiếp tục các thử nghiệm tiền lâm sàng đối với Amphinase trước khi chuyển sang thử nghiệm lâm sàng trong thời gian tới. Nghiên cứu này vừa được công bố trên Journal of Molecular Biology (Tập san Sinh học Phân tử) của tập đoàn Elsevier, có trụ sở ở Amsterdam, Hà Lan. ¡ Máy Tính Làm Từ ADN Và Enzym  Các nhà khoa học Israel vừa chế tạo ra một máy tính có thể thực hiện 330.000 tỷ phép tính/giây, gấp 100.000 lần tốc độ của PC nhanh nhất hiện nay. Chạy bằng ADN nên máy được ghi vào sách kỷ lục Guinness là "thiết bị điện toán sinh học nhỏ nhất thế giới".  Ngay từ năm 2002, các nhà nghiên cứu của Viện khoa học Weizmann ở thị xã Rehovot (miền Trung Israel) đã sản xuất được máy tính từ các phân tử ADN và enzyme thay vì microchip. Lần này, họ chỉ dùng một phân tử ADN để cung cấp dữ liệu đầu vào và năng lượng cho thiết bị. Nếu nhìn bằng mắt thường, máy tính ADN trông giống dung dịch nước. 1.000 tỷ thiết bị có thể nằm gọn trong một giọt nước. Cấu trúc của máy tính sinh học gồm ADN đóng vai trò phần mềm và enzyme giữ vai trò phần cứng. Phản ứng hoá học giữa các phân tử trong ống nghiệm cho phép nhà khoa học thực hiện những phép tính đơn giản. Nhà khoa học ra lệnh cho thiết bị làm việc bằng cách thay đổi thành phần phân tử ADN. Thay vì xuất hiện trên màn hình, kết quả được phân tích thông qua một kỹ thuật cho phép nhà khoa học nhận biết chiều dài của phân tử ADN đầu ra. Hiện nay, máy tính ADN chỉ thực hiện được các phép tính đơn giản và chưa có ứng dụng thực tế. Theo trưởng nhóm nghiên cứu, Ehud Shapiro, thiết bị có thể kiểm tra danh sách con số, trả lời câu hỏi dạng "có/không"... Tuy nhiên, xét về tốc độ và dung lượng lưu trữ, máy tính ADN vượt xa thiết bị truyền thống. Các nhà khoa học cho biết phân tử ADN trong nhân của mọi tế bào có thể chứa nhiều thông tin trong 1 cm3 hơn 1.000 tỷ CD nhạc. Hiệu suất sử dụng năng lượng của máy tính ADN cũng gấp 1 triệu lần so với PC.Trong khi máy tính để bàn được thiết kế để thực hiện một phép tính thật nhanh thì máy tính ADN tạo ra hàng tỷ câu trả lời cùng một lúc. Điều này khiến thiết bị sinh học phù hợp với việc giải quyết các vấn đề logic mờ. Tương lai có thể xuất hiện loại máy tính lai ghép dùng silicon truyền thống để thực hiện các nhiệm vụ thông thường và những bộ đồng xử lý ADN để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp.Điện toán ADN trên thế giới vẫn đang ở giai đoạn sơ khai. Tuy nhiên, nó có thể thay đổi tương lai của máy tính, đặc biệt là các ứng dụng về sinh y học và dược học. Một số nhà khoa học dự đoán rằng bác sĩ sẽ đưa máy tính ADN vào cơ thể người để kiểm tra sức khoẻ. Thiết bị sẽ phun thuốc để điều trị những mô bị tổn hại."Máy tính siêu nhỏ" sinh hoá tồn tại trong mọi sinh vật nhưng con người gần như không thể kiểm soát chúng, ví dụ không thể lập trình cây xanh để tính toán số pi. Ý tưởng sử dụng ADN để lưu trữ và xử lý thông tin xuất hiện từ năm 1994 khi một nhà khoa học Mỹ lần đầu tiên dùng ADN trong ống nghiệm để giải quyết một vấn đề toán học đơn giản. V. MỞ RỘNG V.1. Ứng dụng khác của enzyme: Ñ Ứng dụng trong hóa học Cho đến nay, việc ứng dụng enzyme trong hóa học là do enzyme có cảm ứng cao đối với nhiệt độ, pH và những thay đổi khác của môi trường. Một trong những ứng dụng chế phẩm enzyme đáng được chú . nhất trong thời gian gần đây là dùng chất mang để gắn phức enzyme xúc tác cho phản ứng nhiều bước. Ví dụ tổng hợp glutathion, acid béo, alcaloid, sản xuất hormone…Cũng bằng cách tạo phức, người ta gắn vi sinh vật để sử dụng trong công nghệ xử l. nước thải, sản xuất alcohol, amino acid… Trong nghiên cứu cấu trúc hóa học, người ta cũng sử dụng enzyme, ví dụ dùng protease để nghiên cứu cấu trúc protein, dùng endonuclease để nghiên cứu cấu trúc nucleic acid … Dùng làm thuốc thử trong hóa phân tích. Ñ Ứng dụng trong công nghiệp Việc sử dụng enzyme trong công nghiệp là đa dạng, phong phú và đ. đạt được nhiều kết quả to lớn. Thử nh.n thống kê sơ bộ sau đây về các l.nh vực đ. dùng protease ta có thể thấy được sự đa dạng: công nghiệp thịt, công nghiệp chế biến cá,công nghiệp chế biến sữa, công nghiệp bánh m., bánh kẹo, công nghiệp bia, công nghiệp sản xuất sữa khô và bột trứng, công nghiệp hương phẩm và mỹ phẩm, công nghiệp dệt, công nghiệp da, công nghiệp phim ảnh, công nghiệp y học…Với amylase, đ. được dùng trong sản xuất bánh m., công nghiệp bánh kẹo, công nghiệp rượu, sản xuất bia, sản xuất mật,glucose, sản xuất các sản phẩm rau, chế biến thức ăn cho trẻ con, sản xuất các mặt hàng từ quả, sản xuất nước ngọt, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy…Trong phạm vi giáo tr.nh này chúng ta chỉ đề cập đến việc ứng dụng chế phẩm enzyme trong một số l.nh vực. Dùng enzyme trị kẹo cao su Các nhà khoa học đã thử nghiệm một hợp chất sinh học có thể giúp nước Anh trị được thảm hoạ môi trường khiến họ phải tiêu tốn gần 190 triệu euro mỗi năm. Đó là nạn phun kẹo cao su xuống mặt đường Hẳn nhiều người còn nhớ hình ảnh ông huấn luyện viên nổi tiếng Alex Ferguson của câu lạc bộ Manchester United luôn miệng nhai kẹo cao su trong lúc điều hành trận đấu trên sân. Ở Anh, vấn đề này trở nên nghiêm trọng trong những năm gần đây. Kẹo cao su là một trong những thứ kẹo phổ biến nhất ở đất nước này, bằng chứng là mức tiêu thụ nó đã tăng 7% trong ba năm qua. Hậu quả là lề đường các thành phố dính đầy kẹo cao su vứt ra. Theo tờ The Guardian, vụ tẩy sạch đường Oxford Street mới đây tại London, một trong những huyết mạch giao thông chính ở thủ đô, đã giúp kiểm đếm có khoảng 300.000 tàn tích kẹo cao su được người nhai phun ra. Những hoạt động dọn dẹp kiểu này ngày càng trở nên tốn kém kinh khủng. Năm 2007, một thanh kẹo cao su giá 3 xu Anh làm nhà nước mất đến 10 xu để tẩy sạch. Mới đây, hai nhóm nghiên cứu ở Manchester và Belfast đã chế ra một dung dịch có khả năng hoà tan kẹo cao su bám dính trên mặt đường phố, thay cho phương pháp tẩy sạch bấy lâu nay là dùng những chiếc máy tẩy rửa hoạt động bằng hơi nước áp suất cao hoặc các loại hoá chất rất độc hại cho môi trường. Ý tưởng của các nhà khoa học trên xuất hiện khá tình cờ. Nhà hoá sinh học Gill Stephen ở đại học Manchester kể: “Chúng tôi đang uống nước thì cuộc tranh luận bỗng dưng chuyển hướng sang sự ghê tởm trước thói quen nhai kẹo cao su và phun xuống đường. Thế là chúng tôi bắt đầu suy nghĩ những giải pháp khả dĩ và cho rằng một trong những cứu cánh chính là những phương pháp mới từ công nghệ sinh học”. Ngày nay, các nhà khoa học Anh cho rằng họ đã tìm ra câu trả lời đơn giản và hiệu quả: sử dụng enzyme. Đó là những phân tử được các sinh vật sống sử dụng để phá vỡ các dây chuyền nguyên tử carbon. Trong cơ thể chúng ta, các enzyme đóng vai trò quan trọng ở hệ tiêu hoá. Tìm ra đúng hướng giải quyết bằng enzyme, nhưng các nhà khoa học cũng gặp phải một vấn đề: kẹo cao su là một dạng cao su tổng hợp, chúng rất kỵ nước. “Do vậy, chúng tôi không thể sử dụng nước làm thành phần chính của một dung dịch enzyme”, ông Stephen giải thích. Các dạng dung môi cổ điển khác, như aceton hoặc ether, luôn độc hại và dễ cháy nên không thể sử dụng ở nơi công cộng. Thế là các nhà khoa học ở đại học Queen’s University, Belfast, do tiến sĩ Kenneth Seddon dẫn đầu đã nảy ra ý tưởng sử dụng các dung dịch ion. Đó là muối dạng dung dịch, có khả năng làm tan rất mạnh và bấy lâu nay được sử dụng như giải pháp thay thế cho các dung môi hữu cơ truyền thống. Hầu hết các dung dịch ion đều có một ưu thế rất lớn là có thể tự phân huỷ sinh học. Cả hai nhóm nghiên cứu trên đã kết hợp với nhau và huy động được hơn một triệu euro tiền quỹ, trong đó phân nửa từ chính phủ và phần còn lại từ giới kỹ nghệ gia. Từ hai năm nay, họ thử nghiệm rất nhiều dung dịch ion kết hợp với các dạng enzyme khác nhau. Họ đã nhai kẹo cao su rồi dán chúng lên mặt đường, sau đó đổ lên các dung dịch khác nhau để xem loại nào tác động hiệu quả nhất. Lề đường trở thành phòng thí nghiệm của các nhà khoa học. “Hiện nay, chúng tôi đã có rất nhiều dung dịch và đang thử nghiệm để nghiên cứu phản ứng của nó với nước và ở những nhiệt độ khác nhau. Chúng tôi cũng muốn kiểm tra xem liệu chúng có hại đến môi trường và đế giày của người đi đường”, ông Stephen cho biết. Một khi xác định được giải pháp lựa chọn, trong vòng một năm nữa các nhà khoa học mới bắt đầu suy nghĩ đến việc kinh doanh sản phẩm nghiên cứu Ứng dụng trong công nghiệp dệt Trong công nghiệp dệt, chế phẩm amylase được dùng để rũ hồ vải trước khi tẩy trắng và nhuộm. Amylase có tác dụng làm vải mềm, có khả năng nhúng ướt, tẩy trắng và bắt màu tôt. Rũ hồ bằng enzyme không những nhanh, không hại vải, độ mao dẫn tốt mà c.n đảm bảo vệ sinh, do đó tăng được năng suất lao động. Trong sản xuất tơ tằm, người ta dùng protease để làm sạch sợi tơ. Với công đoạn xử l. bằng enzyme sau khi xử l. bằng dung dịch xà ph.ng sẽ giúp lụa có tính đàn hồi tốt, bắt màu đồng đều và dễ trang trí trên lụa. 9.2.3.3. Ứng dụng trong công nghiệp thuộc da Trong công nghiệp da, enzyme protease được dùng để làm mềm da, làm sạch da, rút ngắn thời gian, tránh ô nhiễm môi trường. Việc xử l. đ. được tiến hành bằng cách ngâm da trong dung dịch enzyme, hay phết dịch enzyme lên bề mặt da. Enzyme sẽ tách các chất nhờn và làm đứt một số liên kết trong phân tử collagen làm cho da mềm hơn. Thực tế cho thấy khi xử l. da bằng chế phẩm protease từ vi sinh vật có thể rút ngắn thời gian làm mềm và tách lông xuống nhiều lần. Điều quan trọng là chất lượng lông tốt hơn khi cắt. So với phương pháp hóa học th. việc xử l. bằng enzyme có số lượng lông tăng 20-30%. Lông không cần xử lý thêm sau khi ngâm trong dịch enzyme. Ñ Ứng dụng trong nông nghiệp Có thể sử dụng các loại chế phẩm enzyme khác nhau để chuyển hóa các phế liệu, đặc biệt là các phế liệu nông nghiệp cải tạo đất phục vụ nông nghiệp. Ở Nhật hằng năm đ. sản xuất hàng vạn tấn chế phẩm cellulase các loại để dùng trong nông nghiệp. Có chế phẩm chứa cả cellulase, hemicellulase, protease và amylase. Công nghệ này khá phổ biến ở nhiều quốc gia. Ở nước ta việc dùng enzyme vi sinh vật góp phần trong sản xuất phân hữu cơ đang được khai thác để thay thế cho phân hóa học. V.2. tình hình sử dụng enzyme trong nước và thế giới Các nhà khoa học tại Diversa Corp. đang thử nghiệm các enzym không gây độc hại cho môi trường trong phòng thí nghiệm tại San Diego. Một ngày nào đó, những enzym này sẽ thay thế các hóa chất độc hại hiện đang sử dụng trong ngành giấy để từ đây sản xuất ra giấy in báo, khăn giấy, văn phòng phẩm… Ông Jay M. Short – Giám đốc điều hành của Diversa dự đoán “Công nghệ sinh học trong sản xuất công nghiệp sẽ tăng trưởng nhanh và làm thay đổi các ngành công nghiệp”. Trong 30 năm qua, các công ty công nghệ sinh học đã khai sinh ngành dược phẩm trị giá 40 tỷ USD nhờ tạo ra các tế bào sống để sản xuất những loại thuốc bán chạy nhất thế giới. Diversa và các công ty khác cược rằng công nghệ sinh học có thể tạo ra điều kỳ diệu tương tự đối với các ngành đang phát triển ì ạch như giấy, dệt và hóa dầu. Chìa khóa làm nên điều kỳ diệu ấy là những loại enzym mới – những chất xúc tác protein thúc đẩy tốc độ các phản ứng hóa học trong tế bào. Trong ngành dệt, enzym giúp tẩy trắng quần áo, cải thiện chất lượng nhuộm, làm mòn hoặc bạc màu vải... Nhờ đó, nhà sản xuất có thể cắt giảm tiêu thụ năng lượng, tiết kiệm đủ điện để cung cấp cho 28.120 hộ gia đình trong một năm. ở ngành nhựa, nhờ enzym, các công ty hóa chất có thể tạo ra polyme từ ngô. Nếu tất cả 36 tỷ kg nhựa được sử dụng tại Mỹ được tạo ra theo cách này, Mỹ sẽ tiết kiệm được ít nhất 90 triệu thùng dầu - đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong 1 tuần. Trong ngành giấy, các công ty có thể sử dụng enzym thay chất tẩy trắng để giảm tiêu thụ nhiên liệu, tiết kiệm khoảng 75 tấn clo và co dioxit mỗi năm. Trong công nghiệp chế biến thực phẩm, enzym được sử dụng thay hóa chất xử lý nước và lọc dầu giúp cắt giảm việc sử dụng nước trong ngành này khoảng hơn 50%. Mặc dù các nhà khoa học đã đề cập đến những ứng dụng của enzym suốt hàng thập kỷ nay nhưng nhà sản xuất công nghiệp vẫn chưa có sự quan tâm đúng mức. Cả thế giới chỉ bỏ ra khoảng 2 tỷ USD mỗi năm để nghiên cứu enzym. Hiện enzym chỉ được sử dụng chủ yếu trong các quy trình độc lập như làm bạc màu, làm mòn quần jean, cải tiến đặc tính tẩy trắng của bột giặt và sản xuất vitamin B2. Trong khi đó, những ứng dụng khác của enzym dần bị lãng quên vì nhà sản xuất không muốn bỏ ra hàng triệu đôla thay mới các dây chuyền công nghệ để ứng dụng các enzym đắt tiền trong khi chỉ tiết kiệm được một phần chi phí xử lý hóa chất và phế thải. Ông Paul Gilman – Trợ lý điều hành nghiên cứu và phát triển tại Cơ quan Bảo vệ môi trường nhận xét: “Đúng là enzym rất có lợi cho môi trường, giúp thúc đẩy quá trình phân giải hóa chất độc hại trong sản xuất nhưng chúng không rẻ chút nào”. Các ngành sinh học đang đi tìm lời giải cho bài toán này. Bằng cách áp dụng những công nghệ giống nhau vào việc nghiên cứu và sản xuất ra những loại thuốc mới, họ đang phát triển nhiều quy trình enzym hiệu quả hơn và dễ ứng dụng hơn so với thế hệ enzym đầu tiên. Các nhà đầu tư và công ty sản xuất sẽ hưởng lợi không ít từ những phát minh này. McKinsey & Co. ước tính tổng giá trị về hiệu suất, doanh số bán enzym và lợi nhuận tạo ra bởi những sản phẩm sử dụng công nghệ sinh học sẽ tăng gấp đôi lên đến 12 tỷ USD mỗi năm vào năm 2010. Ngày 15/7, Diversa đã bán enzym làm trắng giấy được lấy từ một mẫu đất gần các mạch nước phun ở Nga. Gần đây, Diversa tung ra một loại enzym khác có tác dụng tẩy sạch sợi vải trước khi nhuộm, tạo ra vải thành phẩm có gam màu mạnh hơn. Những tập đoàn công nghệ sinh học khác như Novozymes và Genencor International Inc. cũng đang phát triển những sản phẩm tương tự. Tuy nhiên, hoàn thiện các liệu pháp enzym vẫn chưa đủ, các công ty công nghệ sinh học sẽ phải thuyết phục các nhà sản xuất truyền thống chuyển sang ứng dụng công nghệ mới. Hiện, nhiều người trong số họ vẫn còn sử dụng các quy trình đã lỗi thời có độ tuổi từ 100 trở lên. Nếu chính phủ Mỹ có những các chính sách hỗ trợ như giảm thuế thì có khả năng họ sẽ chuyển sang ứng dụng công nghệ mới nhưng hiện nay vẫn chưa có chính sách cụ thể nào. Trong khi đó, hầu hết các enzym thuộc dòng sản phẩm đầu tiên đều tỏ ra không hiệu quả. Các nhà sản xuất enzym cho biết chức năng của các enzym này hoạt động một cách tự nhiên trong tế bào nhưng khả năng nhân đôi tế bào còn nhiều hạn chế. Vì thế, các công ty công nghệ sinh học kể cả Diversa đang nghiên cứu những vi sinh vật mới để sản xuất hàng loạt các siêu enzym bằng cách trộn lẫn và tổ hợp DNA từ các sinh vật khác nhau để tìm ra mẫu tổ hợp các thuộc tính xúc tác thích hợp nhất. Sau đó, họ sẽ thử nghiệm mỗi một loại vi khuẩn ở những điều kiện nhiệt độ, độ axit khác nhau và dưới những điều kiện khác để tạo ra những vi sinh có khả năng sản sinh enzym chất lượng cao rồi đưa thẳng vào các quy trình sản xuất hiện có mà không cần phải thay mới dây chuyền công nghệ. Những enzym cao cấp này có thể là chìa khóa mở ra hướng đi mới cho các ngành dệt, nhựa, giấy, chế biến thực phẩm. Hiện Novozym đang nỗ lực để nâng cấp Resinase - một loại enzym giúp giảm lượng gỗ thừa trong ngành giấy. Resinase đã được đưa vào sử dụng từ đầu thập niên 1990, năm ngoái, Novozym đã cải tiến Resinase để nó có thể hoạt động ở nhiệt độ nước cao hơn so với phiên bản cũ. Điều này giúp các nhà máy giấy tiết kiệm nhiều năng lượng vì không phải liên tục điều chỉnh nhiệt độ của hàng ngàn galông nước mỗi ngày. Ngày 26/5, Tập đoàn DuPont cho biết sẽ xây dựng nhà máy sản xuất Sorona đầu tiên để chuẩn bị sản xuất hàng loạt vào năm 2006. Đây là một chất polyme mềm chịu tĩnh điện thay cho polieste và nilon. Để giảm chi phí và lượng độc tố trong Sonora do vi khuẩn tạo nên, DuPont quyết định sản xuất Sonora từ ngô thay vì từ xăng dầu. Cùng với nhà sản xuất enzym genencor, các nhà khoa học DuPont đã cấy 6 gen lấy từ 2 loại vi sinh vật khác nhau vào một vi khuẩn để tạo ra 4 loại enzym khác nhau mà có thể chuyển hóa chất glucoza trích từ ngô thành chất propanediol - thành phần chính trong Sorona. Thực tế, nhiều sản phẩm công nghệ sinh học vẫn còn khiếm khuyết. Cargill Dow LLC sử dụng quy trình enzym biến ngô thành chất thay thế cho nhựa. Nhưng chất này không chịu được nhiệt độ cao. Những chiếc cúp làm từ ngô của Cargill được sử dụng tại Olympic mùa đông 2002 diễn ra tại thành phố Salt Lake không đựng được thức uống lạnh, Dennis McGrew – Trưởng bộ phận Marketing cho Cargill Dow cho biết. Những rủi ro như vậy không hề khiến các nhà sản xuất giấy Potlatch Corp. tại Spokane nản lòng. Công ty bắt đầu sử dụng loại enzym làm trắng giấy cách đâu 2 năm, nhờ đó hàng năm tiết kiệm được 10% chi phí hóa chất. Potlatch Corp. đang tính đến khả năng hợp tác lâu dài hơn với Diversa và nhiều công ty công nghệ sinh học khác để tiết kiệm nhiều chi phí sản xuất hơn. VI. KẾT LUẬN Tóm lại, có thể thấy enzyme đã đuợc ứng dụng và còn có tiềm năng sử dụng lớn trong tất cả các lĩnh vực khác , trong đó có nhiều lĩnh vưc quan trọng phụcvụ việc chăm sóc sức khoẻ ,sắc đẹp và các ngành quan trọng kháccủa đất nuớc .Những thành tựu trong ứng dụng enzyme và chế tạo các E - biosenor đã làm tăng hiệu quả và mở rộng phạm vi ưng dụng của enzyme trong thực tế ở qui mô ngày càng lớn . Do những tính chất ưu việt của enzyme so với các chất xúc tác khác ,nên việc sử dụng enzyme trong thực tế thuờng mang lại những hiệu quả về nhiều mặt : kinh tế, xã hội , cải thiện điều kiện lao động ,giảm thể ô nhiễm môi trường .Có thể nói không quá rằng , sự phát triển các qui trình công nghiệp có sử dụng enzyme là một hướng phát triển cùa nền công nghiệp tiên tiến trong tương lai , khi mà nguồn năng lượng , nguồn nước ngày càng bị cạn kiệt . Để đáp ứng yêu cầu này , cần phát triển việc sản xuất các chế phẩm enzyme , công nghệ tinh sạch ở quy mô công nghiệp, đây là những ngành mà nhà nước ta còn chưa hình thành. Để cạnh tranh được trong môi trường quốc tế , cần quan tâm đầu tư nhiều hơn nữa để xây dựng và phát triển ngành công nghiệp enzyme ở nước ta . Nhóm chúng em xin cám ơn cô đã hướng dẫn và theo dõi.