Công nghệ sinh học: Ngành khoa học mũi nhọn của thế kỷ 21
Thế kỷ 21 đã được thế giới xác định là thế kỷ của công nghệ sinh học. Đây là lĩnh vực hàng đầu để giải quyết những vấn đề thiết yếu của xã hội, từ thực phẩm, y tế đến năng lượng và môi trường; là một ngành công nghệ cao và là mũi nhọn để phát triển kinh tế. Hiện nay, Trung Quốc đang triệt để khai thác công nghệ sinh học để chạy đua với các cường quốc Âu, Mỹ; các nước Thái Lan, Singapore, Hàn Quốc…cũng xem đây là khoa học nền tảng trong việc cách tân đất nước. Đối với Việt Nam, công nghệ sinh học tuy là ngành khoa học còn khá mới mẻ nhưng được nhà nước xếp vào ngành khoa học mũi nhọn; là công nghệ ưu tiên trên bước đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước; là lĩnh vực khoa học trọng điểm cần đặc biệt ưu tiên phát triển và được xem là một trong những nhân tố chiến lược góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng và hội nhập kinh tế thế giới.
Công nghệ sinh học có thể được hiểu đây là một bộ môn tập hợp các ngành khoa học, công nghệ kết hợp với những kiến thức sinh hóa về thực vật, động vật, nấm, vi khuẩn, vi sinh vật…đồng thời sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như DNA tái tổ hợp, cấy mô…để tạo ra những sản phẩm cây trồng, vật nuôi có năng suất và chất lượng cao; những loại thực phẩm, dược phẩm, hóa phẩm…phục vụ đời sống con người, góp phần phát triển kinh tế, xã hội và bảo vệ môi trường.
Công nghệ sinh học có thể phân làm 3 loại: Công nghệ sinh học truyền thống(nấu rượu, muối dưa, làm tương, làm giấm…); Công nghệ sinh học cận đại(sản xuất vaccin cổ điển, vitamine,acid hữu cơ, chất kháng sinh, thuốc trừ sâu sinh học, dung môi hữu cơ, bột ngọt và các acid amin khác…) và Công nghệ sinh học hiện đạilà công nghệ gắn liền với các cơ thể mang gene tái tổ hợp (recombination gene) bao gồm nhiều lĩnh vực như Công nghệ Tế bào (Cell engineering), Công nghệ Di truyền (Genetics engineering), Công nghệ Vi sinh vật/Công nghệ Lên men (Microbial engineering/Fermentation engineering), Công nghệ Enzyme (Enzyme engineering), Công nghệ Protein (Protein engineering), Công nghệ sinh học môi trường (Environmental biotechnology), Công nghệ sinh học Nano (Nano-biotechnology)… Phát triển công nghệ sinh học hiện đại đồng nghĩa với việc đẩy mạnh hiểu biết về vi sinh vật học và lấy việc nghiên cứu, tìm kiếm, bảo quản và khai thác nguồn gene từ vi sinh vật làm mục tiêu quan trọng nhất về mặt lý luận, công nghệ sinh học hiện đại là công nghệ gắn liền với nguồn gene quý hiếm có nguồn gốc từ các loài động vật, thực vật và vi sinh vật. Các nguồn gene quý của động vật, thực vật phần lớn đã được các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng, riêng thế giới vi sinh vật còn rất nhiều ẩn số, hơn 200.000 loài đã được định danh nhưng số chưa được xác định vẫn còn rất lớn trong thiên nhiên. Sở dĩ nguồn gene phong phú và quý hiếm dễ dàng tìm thấy ở vi sinh vật là do chúng có mặt ở khắp mọi nơi trên trái đất, kể cả ở những nơi có điều kiện hết sức khắc nghiệt về nhiệt độ, pH, phóng xạ hay hóa chất độc hại… Vi sinh vật lại dễ dàng gây đột biến để tạo thêm các đặc điểm trao đổi chất mới hoặc làm tăng thêm các hoạt chất sinh học vốn có. Ngày nay, nhiều loài vi sinh vật đã được xác định bản đồ gene và chúng có thể tiếp nhận các gene hữu ích trước khi đưa vào sản xuất.
Đối với công nghệ tế bào , ngày nay các nhà khoa học có thể dễ dàng phá vỡ màng tế bào của sinh vật để tạo ra các tế bào trần. Trộn hai tế bào trần của hai loài sinh vật khác xa nhau(có khi khác nhau cả họ lẫn bộ) để tạo ra một tế bào mới mang gene của cả hai loài này, sau đó nhờ kỹ thuật nuôi cấy mô (Tissue culture) tạo ra các loài hoàn toàn mới. Ví dụ cây khoai-cà (pomate) trên mặt đất cho quả cà chua, dưới mặt đất lại cho củ khoai tây. Nhiều nước đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật nuôi cấy mô để tạo ra các dòng cây sạch bệnh, ví dụ khoai tây sạch virus, hoặc nhân nhanh các giống quý hiếm có giá trị kinh tế cao như nhân sâm, tam thất…Sự ra đời con cừu Dolly của Wilmut vào năm 1997 là thành công mở đầu của việc sinh snar vô tính (cloning) động vật có vú, là một thành quả về kỹ thuật chuyển nhân (nuclear transplantation) của công nghệ tế bào.
Công nghệ di truyềncòn gọi là công nghệ gen, với kỹ thuật tái tổ hợp AND (DNA recombination) thực hiện việc chuyển gen để tạo ra các tế bào hoặc cá thể mang các gen mới có khả năng tạo ra những vật chất cần thiết đáp ứng nhu cầu của con người. Với công nghệ này, khoa học đã có những thành tựu diệu kỳ trong chẩn đoán, cứu chữa hoặc phòng ngừa các bệnh hiểm nghèo. Các thành quả nổi bật có thể kể là sản xuất insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường; sản xuất các loại interferon dùng trong điều trị ung thư; sản xuất các loại vaccine phòng chống viêm gan B, viêm não Nhật Bản, dịch tả, bại liệt, sốt rét… Đặc biệt, công nghệ gen còn tạo ra cơ sở điều trị các bệnh về di truyền mà trước đây khoa học chưa có biện pháp xử lý hữu hiệu như bệnh về nhiễm sắc thể giới tính, hội chứng đa bội thể, đa gen… Ngoài ra, công nghệ này còn là công cụ đắc lực trong việc chọn giống cây trồng như tạo giống đơn bội, đa bội; cho ra giống dưa hấu không hạt, giống kháng sâu bệnh, hoặc giống mang gen cố định đạm…
Đây cũng là công nghệ tạo tiền đề cho việc sản xuất ra cây trồng chuyển gen (GMC: Genetic modification containment). Thuốc là là cây đầu tiên ứng dụng công nghệ chuyển gen (1983), kế đến là cây bông, đậu tương, khoai tây… Mục tiêu của công nghệ này là tạo ra các giống kháng sâu bệnh, kháng thuốc trừ cỏ… Hiện nay, công nghệ chuyển gen đã được các nước trên thế giới ứng dụng mạnh mẽ, nếu như GMC vào năm 1996 chỉ mới được trồng thử trên 1,7 triệu ha thì đến năm 2003 đã được trồng trên diện tích 67,7 triệu ha, riêng Hoa Kỳ trong 12 năm (1987-1999) đã đưa 4.779 loài cây chuyển gen ra thí nghiệm đồng ruộng.
Công nghệ enzym: Các nhà khoa học đã sử dụng thành công kỹ thuật enzym bất động (immobilized enzym) hoặc tế bào bất động (immobilized cell) để tạo ra các sản phẩm mới dưới sự xúc tác của enzym. Ngoài ra, thông qua công nghệ gen, các nhà khoa học đã sử dụng vi khuẩn hoặc nấm men để tạo ra một enzym mới hoặc nâng cao hoạt tính sản sinh enzym của chúng thêm lên nhiều lần. Enzym được xem như là một kỹ thuật quan trọng của công nghệ sinh học do có chức năng xúc tác cho mọi biến đổi vật chất trong công nghệ sinh học; được xem là thuốc thử có tính chuyên hóa cao, nếu không có enzym thì các quá trình công nghệ sinh học không thể tối ưu hóa được; hơn nữa, enzym còn là sản phẩm của công nghệ sinh học, chúng có thể được dùng làm công cụ mới của công nghệ sinh học hoặc sử dụng trong các lĩnh vực khác.
Thông qua công nghệ sản xuất enzym có thể thu nhận enzym từ động vật như trypsin, chymotrypsin, từ thực vật như papain của đu đủ, amylase của đại mạch. Nhưng enzym từ vi sinh vật là nguồn phổ biến và có ý nghĩa kinh tế nhất. Hiện nay, việc sản xuất chế phẩm enzym các loại đã và đang phát triển mạnh mẽ trên quy mô công nghiệp. Các chế phẩm enzym phổ biến như amylase, protease, catalase, cellulase, lipase, glucoseoxydase… được ứng dụng rộng rãi trong y học và trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, hóa học,…
Ngày nay, công nghệ sinh học môi trường đã trở thành một ngành khoa học phát triển, hàng loạt các biện pháp xử lý môi trường bằng công nghệ sinh học đã trở thành kinh điển, trong đó có thể kể đến công nghệ kích thích sinh học (biostimulation), phân giải sinh học (biodegradation), xử lý ô nhiễm sinh học (bioremediation), lọc sinh học (biofiltration), màng sinh học (biofilm), tẩy độc sinh học (biodetoxification), bùn hoạt tính (activated sludge)… các vi sinh vật mang gen tái tổ hợp đã được sử dụng có hiệu quả để phân giải các hợp chất gây ô nhiễm môi trường như các hợp chất alkanes, anthracene, benzene…
Công nghệ sinh học nano: Đối với công nghệ sinh học hiện đại, trong quá trình thực hiện các cuộc nghiên cứu đều ở cấp độ phân tử. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano đã cho phép các cuộc nghiên cứu tiến hành ở cấp độ nguyên tử nên đã hình thành một lĩnh vưc công nghệ sinh học mới: công nghệ sinh học nano. Đó là công nghệ tạo ra các thiết bị hiển vi có thể đưa vào mọi nơi trong cơ thể để tiêu diệt virus và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm dược phẩm mới từ các vi sinh vật mang AND tái tổ hợp, tạo ra các protein truyền cảm (sensor) có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học, tạo ra các chip sinh học (biochip) và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học (biocomputer) với tốc độ truyền đạt thông tin như não bộ. Công nghệ sinh học nano đã đạt được những thành quả trong nghiên cứu và phát triển như: chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phẩn tử sinh học; màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật…; chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein và thuốc trong tế bào sống; hoặc chuyển gen và đột biến điểm chính xác… Đây là lĩnh vực công nghệ cao và đầy tiềm năng.
Công nghệ sinh học hiện đại còn rất nhiều ngành khác nữa góp phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực như đã được đề cập. Với những thành quả kỳ diệu đã đạt được cộng thêm những triển vọng không mang tính ảo tưởng, công nghệ sinh học thật sự là một ngành khoa học chiến lược và mũi nhọn của thế kỷ 21.
Công nghệ sinh học ở Việt Nam
So với trình độ và mức độ phát triển của các nước trên thế giới, công nghệ sinh học ở Việt Nam còn quá non trẻ, phần lớn việc nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở phòng thí nghiệm ở các viện, trường. Tuy nhiên, do được định hướng chiến lược là ngành mũi nhọn nên những năm qua các nhà khoa học Việt Nam đã đạt được một số thành quả nhất định: đã ứng dụng thành công quy trình về đông lạnh tế bào và phôi động vật; tạo ra bê (bò con) từ phôi thụ tinh trong ống nghiệm, phân lập được tế bào gốc từ phôi và sử dụng tế bào gốc trong nhân bản vô tính; đã sử dụng công nghệ nhân bản vô tính để bảo tồn các loài động vật có nguy cơ tuyệt chủng cao như Sao la, Bò rừng,…; lĩnh vực y tế cũng đã thành công trong việc nuôi trưởng thành trứng non, điều trị bệnh buồng trứng đa nang, bước đầu đã có những thành công trong việc nuôi cấy tế bào tinh tử thành tinh trùng, mang lại hy vọng điều trị vô sinh ở nam giới,…
Tuy nhiên, tất cả còn quá khiêm tốn trước thành tựu của các nước đi trước: Viện Nghiên cứu NITE (Nhật) có một kho lưu giữ nguồn gen vi sinh vật lớn đến vài trăm ngàn chủng; ATCC (Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật Mỹ) đang bảo quản trong điều kiện siêu lạnh (trong nitơ lỏng) và đông khô vài chục ngàn chủng vi sinh vật; Trung Quốc đã có những giống lúa lai cho sản lượng tới 15 tấn/ha/vụ; có những giống ếch đẻ trứng 8 lần/năm với 40-60 nghìn trứng/lần đẻ; Đài Loan đã tạo ra những giống hoa hồng trên 100 cánh/hoa và 350 hoa trên 1 gốc,…
Để thực sự là ngành khoa học chiến lược và mũi nhọn trong kế hoạch phát triển kinh tế và xã hội trong thế kỷ 21, đồng thời đuổi kịp các nước đi trước trên thế giới, ngành công nghệ sinh học của Việt Nam còn rất nhiều việc ở phía trước cần phải làm, ngoài điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị, vốn đầu tư… một yếu tố không thể thiếu, đó là nguồn nhân lực chất lượng cao, vừa có tri thức vừa có năng lực và tâm huyết./.
