Sự xuất hiện của các sản phẩm chứa hóa chất độc hại trong đời sống là một trong những nguyên nhân làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm, sức khỏe con người bị đe dọa. Trong bối cảnh đó, công nghệ sinh học (CNSH) ra đời như một giải pháp hoàn hảo cho con người trong việc giải quyết vấn đề môi trường, bảo vệ sức khỏe và góp phần mang lại cuộc sống an toàn cho người dân.
| Công nghệ sinh học - công nghệ của tương lai. (Ảnh minh họa: kt). |
CNSH là ngành được xây dựng dựa trên hệ thống các sinh vật sống hoặc các tổ chức sống nhằm sản xuất và tạo ra các sản phẩm công nghệ dựa trên ngành sinh học, đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, khoa học thực phẩm, và dược phẩm, phục vụ cho nhu cầu và cuộc sống của con người đồng thời phát triển kinh tế - xã hội cùng các sảm phẩm thân thiện với môi trường.
Cụm từ CNSH được Karlerky đưa ra năm 1917, dựa trên nền tảng khoa học về sự sống với sự kết hợp giữa quy trình nghiên cứu và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra các quy mô công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật nhằm sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao.
CNSH tham gia vào nhiều lĩnh vực như: tin sinh học- lĩnh vực đa ngành giải quyết vấn đề sinh học bằng cách sử dụng các kỹ thuật tính; CNSH lam- ứng dụng trong hàng hải và thủy sản; CNSH xanh- áp dụng trongnông nghiệp; CNSH đỏ- áp dụng trong lĩnh vực y, dược; và CNSH trắng - áp dụng trong công nghiệp.CNSH đạt được những thành tựu to lớn và có triển vọng phát triển mạnh mẽ trong những năm tới nhờ thừa hưởng được một cách tổng hợp thành tựu của các ngành khoa học cơ bản như vi sinh vật học, di truyền học, sinh hóa học, sinh lý học, sinh học phân tử, miễn dịch học, vi sinh vật học ứng dụng, công nghệ sinh hóa học…
CNSH đang phát triển trên cơ sở các kỹ thuật mới mẻ: di truyền; dung hợp tế bào; phản ứng sinh học (bao gồm kỹ thuật lên men, kỹ thuật enzym, thiết bị phản ứng sinh học); nuôi cấy mô; nuôi cấy tế bào; cấy chuyển phôi (embryotransplan-tation); cấy chuyển nhân (nucleustransplan-tation)... đang chuẩn bị cho một cuộc cách mạng sinh học trong các ngành kinh tế - kỹ thuật.
Ngày nay, trong nông nghiệp, với tiến bộ kỹ thuật nuôi cấy mô, người ta có thể sản xuất giống trong phòng thí nghiệm để đưa ra sản xuất nhanh chóng hơn nhiều lần phương pháp cổ điển, năng suất tăng lên 2.500 lần. Kỹ thuật nuôi cấy mô còn cho phép với một quy trình dài có được những sản phẩm có tính di truyền hoàn hảo như nhau cũng như để tạo ra những dòng mới.
| Trong nông nghiệp, với tiến bộ kỹ thuật nuôi cấy mô, người ta có thể sản xuất giống trong phòng thí nghiệm để đưa ra sản xuất nhanh chóng. (Ảnh minh họa: kt). |
Kỹ thuật sinh học phân tử có phạm vi ứng dụng rộng rãi, cho phép phát hiện những độc hại trong quá trình sản xuất, trong thức ăn hay hệ sinh thái. Kỹ thuật sinh học phân tử còn giúp cho việc chọn lọc ở giai đoạn rất sớm từ phôi hay mầm non của những cá thể mang những đặc tính có lợi như giới tính, sức chống chịu bệnh, sức kháng trong những điều kiện đặc biệt.
Với kỹ thuật sinh học phân tử, người ta đã sản xuất ra được chất kháng thể monoclinaux có tác dụng rất đa dạng trong việc chẩn đoán. Ứng dụng đặc biệt nổi bật của sinh học phân tử được thực hiện trong lĩnh vực chẩn đoán (bệnh dịch cây trồng và gia súc) và trong chọn giống.
Cho đến nay, cách mạng chính về CNSH là kỹ thuật di truyền (hay kỹ thuật tái tổ hợp gen). Giờ đây, người ta có thể đưa 1 gen lạ vào bất cứ bộ phận nào, chỉ cần kiểm tra "sự đồng ý" của tế bào tiếp nhận gen mới. Thành công này có ý nghĩa đặc biệt lớn lao bởi nó cho phép tách rời quy trình sinh học phức tạp thành những phần đơn giản, từ đó dễ dàng xác định được nhiệm vụ và kiểu hoạt động của từng gen, cho phép xác định được mối tương quan giữa cấu trúc với nhiệm vụ của những phân tử.
Nhờ kỹ thuật di truyền, con người có thể thiết kế và chế tạo ra những vi sinh vật, những tế bào mà trước đây chưa hề có. Những vi sinh vật nhân tạo này có thể tổng hợp ra ở quy mô công nghiệp những sản phẩm có giá trị phục vụ đắc lực cho việc bảo vệ sức khỏe và nâng cao chất lượng sống của con người.
Về trồng trọt, việc chuyển vào tế bào thực vật một gen lạ của vi khuẩn (chẳng hạn gen kháng thuốc diệt cỏ, kháng côn trùng, kháng bệnh...) sẽ khiến cho cây trồng có được những phẩm chất đặc biệt.
Mới đây Mỹ đã tạo được loại ngô kháng sâu bệnh do từng tế bào của loại ngô này đã mang gen sản sinh tinh thể diệt côn trùng của loài vi khuẩn trừ sâu Bacillus thuringiensis.
Việc tạo ra cây khoai - cà (pomato) nhờ quá trình dung hợp tế bào của cây khoai tây với tế bào của cây cà chua là một thành tựu độc đáo. Cây khoai - cà mọc ra củ khoai tây ở bộ rễ dưới đất và sinh ra quả cà chua ở trên cây. Cho đến nay gần 20 loại cây trồng đã được nghiên cứu thay đổi mật mã di truyền, trong đó thêm 20 loại cây đã đạt được những lợi ích như các nhà tạo giống mong muốn và được đưa vào sản xuất.
Đối với chăn nuôi, đã có trên 10 loài bao gồm bò, lợn, dê, cừu, thỏ, gà, cá... được chú ý nghiên cứu. Hướng nghiên cứu nhằm tạo ra được những giống gia súc và vật nuôi có sức đề kháng bệnh tật, có khả năng cải thiện đáng kể về chất lượng thịt, sữa và trứng.
Với kỹ thuật cấy ghép gen, cấy ghép hợp tử, nuôi cấy tế bào, việc chọn lọc nhân giống gia súc đã đạt được bước tiến có ý nghĩa rất quan trọng. Từ một con bò giống tốt được chọn lọc cho thụ tinh nhân tạo với một giống tốt khác sẽ tạo được hợp tử lai mang đặc tính chọn lọc cần thiết, có thể dễ dàng lấy được hợp tử này ra và vận chuyển từ nước này sang nước khác để cấy vào tử cung của các con bò địa phương bắt chúng mang thai để đẻ ra những bê con có những đặc tính ưu việt được chọn lọc.
| Kỹ thuật di truyền còn cho phép các nhà tạo giống lấy bỏ nhân từ trứng đã thụ tinh của một con bò bình thường rồi cấy thay thế vào. (Ảnh minh họa: kt). |
Hơn thế nữa, người ta còn có thể tạo ra được rất nhiều phôi bằng cách tách từng tế bào ra khi hợp tử bắt đầu phân chia. Các phôi này được kiểm tra nhiễm sắc thể (để giữ lại toàn những phôi tạo ra bê cái), và bảo quản lâu dài bằng kỹ thuật đông lạnh để có thể vận chuyển đến khắp mọi nơi trên trái đất.
Kỹ thuật di truyền còn cho phép các nhà tạo giống lấy bỏ nhân từ trứng đã thụ tinh của một con bò bình thường rồi cấy thay thế vào đó nhân của tế bào một con bò có những đặc tính tốt được chọn lọc, tạo ra được trứng thụ tinh có nhân mới, sau đó, đưa trở lại trứng này vào tử cung của con bò bình thường để cho nó mang thai và đẻ ra bê con có được những đặc tính như mong muốn.
Trong một danh sách tổng kết của năm 2017, ResearchGate - mạng xã hội lớn nhất dành cho các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra 5 xu hướng CNSH được quan tâm nhất: điện sinh học - giúp tế bào có thêm phản ứng miễn dịch bẩm sinh, chống lại nhiễm trùng và thương tích; y học tái tạo - sử dụng các liệu pháp tế bào gốc, kỹ thuật mô và các cơ quan nhân tạo để hồi phục, sửa chữa hoặc thay thế các cơ quan hoặc mô bị hỏng; miễn dịch điều trị ung thư - giúp hệ thống miễn dịch của con người nhận diện và tiêu diệt tế bào ung thư; chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 - bắt chước cách mà vi khuẩn tự bảo vệ chúng khỏi virus; sắp xếp trình tự RNA đơn bào để tìm ra nhiều loại tế bào mới, chưa từng được biết đến trước đây. Có cơ sở để hy vọng rằng, CNSH sẽ đạt được những thành công mới phục vụ đắc lực lợi ích con người./.
Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực nghiên cứu mới về công nghệ sinh học mang đến các nguyên lý kỹ thuật để điều khiển ADN trong các sinh vật. Sinh học tổng hợp cho phép thiết kế và tái tạo các bộ phận sinh học mới và tái thiết các hệ thống sinh học tự nhiên cho các mục đích hữu dụng. Nhánh nghiên cứu mới này được hy vọng sẽ có một phạm vi rộng các ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, nông nghiệp, công nghiệp và năng lượng, nhưng nó cũng làm nảy sinh các vấn đề pháp lý và đạo đức quan trọng.
Sinh học tổng hợp tái tạo hình dáng các hệ thống sống trên cơ sở một thiết kế hợp lý
Con người đã tiến hành thao tác gen bằng cách gây giống có chọn lọc từ cách đây 10.000 năm, nhưng chỉ đến những năm 1970, sự thao tác trực tiếp trên ADN trong sinh vật mới có thể thực hiện thông qua kỹ thuật di truyền. Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực nghiên cứu mới, mở ra một phương pháp tiếp cận kỹ thuật để thao tác trên vật liệu di truyền. Sinh học tổng hợp được định nghĩa là ứng dụng khoa học, công nghệ và kỹ thuật để tạo điều kiện và thúc đẩy việc thiết kế, chế tạo hoặc biến đổi vật liệu di truyền trong cơ thể sống, nó cho phép thiết kế và tạo ra các bộ phận, thiết bị và hệ thống sinh học mới và tái thiết lại các hệ thống sinh học tự nhiên hiện có cho các mục đích hữu ích.
Trong khi kỹ thuật di truyền truyền thống sử dụng các phương pháp tiếp cận thử-và-sai để tạo ra các thiết kế sinh học mới, sinh học tổng hợp cố gắng làm thay đổi hình dáng các hệ thống sống dựa trên cơ sở một thiết kế hợp lý. Để làm được điều này, sinh học tổng hợp sử dụng các nguyên lý kỹ thuật như chuẩn hóa, mô đun hóa và tính tương thích. Ví dụ, các nhà sinh học tổng hợp tạo ra và phân chia các thành phần chức năng được gọi là “biobricks” dựa trên các chuỗi ADN, có hoặc không thể tìm thấy trong tự nhiên. Biobricks thực hiện một số chức năng nhất định, có thể kết hợp để tạo ra những đổi mới trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế, nông nghiệp, công nghiệp và năng lượng.
Sinh học tổng hợp nắm triển vọng mang lại những đổi mới căn bản trong nhiều lĩnh vực kinh doanh
Là một nền tảng công nghệ, sinh học tổng hợp có tiềm năng mang lại những lợi ích kinh tế xã hội quan trọng, tạo ra các doanh nghiệp mới và làm cho các doanh nghiệp hiện thời trở nên có hiệu quả hơn (Hình 2.2). Nó được thúc đẩy bởi một số lĩnh vực thị trường quan trọng như năng lượng (ví dụ nhiên liệu vận tải với chi phí tương đối thấp), y học (phát triển văcxin), nông nghiệp (cây trồng thiết kế) và ngành hóa chất. Ngành này có một phạm vi rộng các ứng dụng thông qua sản xuất vật liệu mới dựa trên sinh học, bao gồm cả plastic sinh học và mỹ phẩm thân thiện môi trường (ví dụ như nước hoa tự nhiên được thiết kế tổng hợp). Trong lĩnh vực công nghệ sinh học biển, nhiều ứng dụng đã được dự đoán, nhưng hầu hết vẫn chưa được hình dung. Một ví dụ gần đây đó là biển đổi tảo cát để sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng chỉnh sửa gen. Sinh học tổng hợp cũng có thể giúp đạt được các mục tiêu của nền kinh tế sinh học, nghĩa là giảm phát thải khí nhà kính và đạt được an ninh lương thực và năng lượng. Dân số thế giới không ngừng tăng trưởng và mối đe dọa đối với chất lượng nước và đất cũng gia tăng, sinh học tổng hợp cung cấp các ứng dụng nông nghiệp sâu rộng hứa hẹn tăng năng suất và hiệu quả. Ví dụ không chỉ bao gồm các loại cây trồng có khả năng kháng hạn hán và bệnh tật, làm tăng năng suất, mà cả các loại ngũ cốc sản sinh ra phân bón riêng cho chúng.
Ứng dụng sinh học tổng hợp trong các lĩnh vực
Hai phát triển đang nổi có thể làm thay đổi sinh học tổng hợp
Thứ nhất, chỉnh sửa gen sử dụng hệ miễn dịch tự nhiên của vi khuẩn để tạo ra những cái “kéo phân tử” (molecular scissors) để cắt và thay thế các sợi ADN với độ chính xác cao. Kỹ thuật này đang giúp các nhà khoa học hiểu biết sâu hơn về vai trò của gen đối với sức khoẻ và một số bệnh có thể điều trị được bằng cách thay đổi các mô và cơ quan. Các tế bào miễn dịch của người bệnh có thể được lập trình lại khiến chúng tấn công tế bào ung thư; Các tế bào miễn dịch có thể trở nên kháng virus, ví dụ như virus HIV; và có thể ngăn chặn chứng bệnh rối loạn di truyền để không truyền sang thế hệ con cháu.
Thứ hai, DIY sinh học hoặc “biohacking” là công việc của một cộng đồng ngày càng tăng các cá nhân và các tổ chức nhỏ, họ tiến hành nghiên cứu và thực hành sinh học và khoa học sự sống bên ngoài các tổ chức chuyên nghiệp. Chi phí cho các thiết bị, công cụ và máy tính giảm, cùng với sự gia tăng thực tiễn phát triển nguồn mở đã thúc đẩy phong trào này, đó là sự “dân chủ hoá” khoa học và cho phép mọi người tiếp cận dữ liệu sinh học của chính mình. Từ năm 2003, chi phí lập trình tự gen đã giảm ít nhất một triệu lần. Chi phí hiệu quả cũng được cải thiện trong tổng hợp gen, mặc dù với tốc độ chậm hơn nhiều. DIY sinh học có thể đại diện cho một động cơ đổi mới tiềm năng tương tự như Thung lũng Silicon, với một số lượng lớn các cá nhân đang khám phá và tìm ra các ứng dụng cho các khối sinh học (biobricks). Trong tương lai, đổi mới trong lĩnh vực này có thể trở nên phổ biến và người sử dụng có thể chắp vá và cải tiến các sản phẩm và dịch vụ từ các công ty lớn, giống như đã xảy ra trong các ngành chế tạo.
Sự phát triển sinh học tổng hợp đối mặt với nhiều trở ngại, trong đó có mối quan tâm đến nguy hiểm sinh học
Sự phát triển công nghệ này đặt ra một số rủi ro đối với an toàn và an ninh sinh học. An toàn sinh học bao gồm một loạt các chính sách và thông lệ được thiết kế để bảo vệ người lao động và môi trường tránh các trường hợp áp dụng sai không chủ ý hoặc sự phóng thích các tác nhân hay vật liệu nguy hiểm trong phòng thí nghiệm. An ninh sinh học thường liên quan đến việc kiểm soát các vật liệu và thông tin sinh học quan trọng nhằm ngăn chặn việc sở hữu trái phép, lạm dụng hoặc cố tình phóng thích.
Những rủi ro phát sinh do sinh học tổng hợp thường khó đánh giá do số lượng gần như vô hạn các tính chất mới phát triển của các sản phẩm và hệ thống biến đổi gen. Sự khó khăn này càng trầm trọng thêm bởi thực hành nguồn mở trong sinh học tổng hợp. So với nhiều loại hình khoa học khác, việc thử nghiệm trong lĩnh vực này đang đối mặt với bất trắc rủi ro cao hơn do bản chất tự sao chép và có thể truyền lại của sinh vật. Đối với an ninh sinh học, DIY sinh học có thể hướng tới các hoạt động bất hợp pháp, một số có thể đe dọa đến an toàn công cộng (ví dụ vũ khí sinh học). Đối với việc chỉnh sửa gen, mặc dù cần có thêm nhiều kinh nghiệm chuyên môn để tạo ra các tác nhân lây nhiễm, nhưng các cơ quan có thẩm quyền cần đảm bảo sự giám sát và đánh giá thỏa đáng.
Sinh học tổng hợp đặt ra các vấn đề đạo đức
Mặc dù liệu pháp gen (tức là làm thay đổi các mô bình thường của cơ thể) là một kỹ thuật y học được chấp nhận, nhưng đó không phải là những biến thể làm thay đổi các tế bào sinh sản của người. Kiểu chỉnh sửa bộ gen này (còn được gọi là chỉnh sửa dòng sinh dục - germline editing) về nguyên tắc có thể làm thay đổi bản chất của loài người. Các đại diện đến từ các Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Anh và Trung Quốc trong một hội nghị gần đây đã thống nhất về việc tạm ngừng hoạt động làm thay đổi vĩnh viễn đối với bộ gen người. Nhóm này kêu gọi các nhà khoa học trên khắp thế giới tránh xa nghiên cứu chỉnh sửa dòng sinh dục cho đến khi rủi ro được đánh giá tốt hơn và đạt được một sự nhất trí xã hội rộng lớn về sự thích hợp của các kỹ thuật này.
Vẫn còn có những bất định về kỹ thuật và pháp lý
Tương lai của sinh học tổng hợp phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp ADN đáng tin cậy, chính xác và ít tốn kém. Trong khi chi phí cho việc lập trình tự ADN hiện nay là không đáng kể, nhưng chi phí viết mã di truyền cũng cần phải giảm với thang độ tương tự. Những khó khăn về kỹ thuật liên quan đến việc giảm được chi phí tương đương với lập trình tự là rất lớn và tạo nên những rủi ro tài chính cao cho các công ty công nghệ cao thường là các công ty nhỏ đang tham gia phát triển sinh học tổng hợp. Ngoài ra còn có rào cản chủ yếu cần vượt qua trong lĩnh vực tin sinh học và cơ sở hạ tầng phần mềm, mặc dù phần mềm thích hợp có khả năng sẽ sẵn sàng khá lâu trước tổng hợp ADN. Điều này có thể cóm lợi cho sinh học tổng hợp, nhưng nó làm tăng sự cần thiết về thận trọng an ninh sinh học, do các thiết kế trình tự có thể dễ dàng được gửi đến các nước khác để sản xuất mà không có sự kiểm soát thích hợp. Đồng thời, số lượng lớn các quy định cần tuân thủ để tạo ra các sinh vật biến đổi gen một cách hợp pháp (đặc biệt để tránh nguy hại cho con người và ngăn ngừa sự thoát ra khỏi môi trường kiểm soát) có thể gây hạn chế các ứng dụng.
Nguồn: vaas.org.vn