Vui Lên Nhé

Công nghệ sinh học

Chúng ta biết rằng Công nghệ sinh học (Biotechnology) và Công nghệ thông tin (Informatic technology) được coi là làn sóng thứ năm trong lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ. Công nghệ sinh học (CNSH) có 3 cấp độ khác nhau: CNSH truyền thống như các hoạt động chế biến thực phẩm (rượu, giấm , sữa chua, dưa chua, cà muối, pho-mát, tương, nước mắm, men bánh mì...), ủ phân, phơi ải đất, diệt khuẩn và ức chế vi sinh vật có hại... CNSH cận đại với việc sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm của công nghệ lên men, công nghệ vi sinh vật (cồn, bia, dung môi hữu cơ, bột ngọt và các acid amin khác, acid citric và các acid hữu cơ khác, chất kháng sinh, nhiều vitamin, các loạin vaccin, kháng độc tố, các kit chẩn đoán bệnh truyền nhiễm, thuốc trừ sâu sinh học, phân bón sinh học...). CNSH hiện đai chỉ mới xuất hiện trong vài thập kỷ gần đây. CNSH hiện đại sử dụng các kỹ thuật trao đổi, sửa chữa, tổ hợp hoặc cải tạo vật chất di truyền ở mức độ phân tử để tạo ra những loại vi sinh vật mới hoặc bắt các sinh vật này tạo ra các protein hay các sản phẩm khác mà vốn dĩ chúng ta không tạo ra được.

CNSH hiện đại bao gồm các lĩnh vực Công nghệ di truyền (Genetic engineering, Công nghệ tế bào (Cell engineering), Công nghệ vi sinh vật/Công nghệ lên men (Microbial engineering/Fermentation engineering), Công nghệ enzym/protein (Enzym/Protein engineering) và CNSH môi trường (Environmental biotechnology)

Cũng cần phân biệt Công nghệ sinh học nói chung (Biotechnology) với Công nghiệp sinh học (Bioindustry).

Công nghiệp sinh học đòi hỏi phải tạo các sản phẩm theo quy mô công nghiệp. Quy mô này có khi cần đến những hệ thống nồi lên men dung tích lớn ( Công ty Vedan-Việt Nam đang sử dụng 12 nồi lên men, mỗi nồi có dung tích tới 700 000 lít, các Công ty bia cũng đang sử dụng các nồi lên men rất lớn), nhưng cũng có khi chỉ cần sử dụng những hệ thống lên men trung bình (như sản xuất thuốc kháng sinh, enzym, vaccin...), thậm chí chỉ cần các nồi lên men nhỏ (dung tích 10-75 lít, để sản xuất một số protein có giá trị chữa bệnh hay chẩn đoán bệnh...).

Nhìn sang các nước khác chúng ta thấy CNSH Việt Nam còn đi sau một khoảng cách khá xa. Trung Quốc đã có những giống lúa lai cho sản lượng tới 15 tấn/ha/vụ (!), có những giống ếch mỗi năm đẻ trứng 8 lần, mỗi lần có thể sinh ra tới 40-60 nghìn trứng (!). Đài Loan có thể tạo ra những giống hoa hồng trên 100 cánh hoa/1 hoa và 350 hoa trên 1 gốc (!). Một Viện nghiên cứu CNSH ở Quảng Châu mà có thể sản xuất tới 70 sản phẩm khác nhau. Họ không cần nhận quỹ lương từ nhà nước mà lại có thể trả lương cao cho cán bộ, nhân viên. Nhật Bản có nền CNSH hiện đại và tạo ra rất nhiều sản phẩm có giá trị xuất khẩu cao. Có lần đến thăm Tập đoàn KAO tôi không thể không kinh ngạc khi thấy các phòng nghiên cứu của một tập đoàn tư nhân mà to như một...thị trấn (!). Chỉ cần sản xuất được men cellulase và đưa vào bột giặt (làm bung lớp mỏng bên ngoài mỗi sợi vải để giải phóng các chất bẩn) đã đủ làm cho bột giặt KAO nổi tiếng thế giới. Mặc dầu đã có một nền CNSH rất phát triển vậy mà để tạo sức bật cho tương lai Nhà nước và các Công ty tư nhân Nhật Bản đã xây dựng cả một khu nghiên cứu CNSH hiện đại tại một thị trấn hoàn toàn mới ở gần Chiba. Viện nghiên cứu NITE của trung tâm này có một kho lưu giữ nguồn gen vi sinh vật lớn đến vài chục vạn chủng. ATCC (Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật Mỹ) cũng làm tôi sửng sốt khi thấy có tới các Phòng thí nghiệm hiện đại rộng tới 9000m² trên một không gian gần 32000m² và với một đội ngũ các nhà khoa học rất lành nghề. Vậy mà ATCC lại là một tổ chức phi lợi nhuận tư nhân (nonprofit privately-held company). Tiền bán giống và các chế phẩm sinh học được dùng để trang trải cho mọi chi phí và cho sự phát triển nhanh chóng của ATCC.. Hiện tại ATCC đang bảo quản trong điều kiện siêu lạnh (trong nitơ lỏng) và trong đông khô vài vạn chủng vi sinh vật , ngoài ra còn có 75 dòng tế bào và 400 loại hạt giống đã đăng ký sáng chế. Các nhà khoa học tại ATCC đang lưu giữ các nguồn gen quý giá không chỉ cho nước Mỹ mà cho toàn nhân loại, vì bất kỳ ai muốn đăng ký mua chủng nào, hạt giống nào cũng được (qua E-mail: news @ atcc.org).

Công nghệ gen

Công nghệ gen CN di truyền còn gọi là CN gen, Kỹ thuật tái tổ hợp ADN (DNA recombination ) thực hiện việc chuyển gen để tạo ra các tế bào hoặc cá thể mang các gen mới nhằm tạo ra những vật chất cần thiết cho con người.

Đó là những thành tựu kỳ diệu nhằm giúp chẩn đoán, cứu chữa hoặc phòng ngừa các bệnh hiểm nghèo, chẳng hạn như việc sản xuất ở quy mô công nghiệp insulin ( dùng cho bệnh nhân tiểu đường ), kích tố sinh trưởng người (BN lùn bẩm sinh ), các loại interferon (chống virus và ung thư ), các nhân tố kích thích tập lạc tế bào (CSF), giới tố bạch cầu (IL), nhân tố gây chết khối u (TNF), nhân tố sinh trưởng biểu bì (EGF), nhân tố sinh trưởng tế bào nội bì mạch máu (PDGF), nhân tố sinh trưởng chuyển hoá (TGF), các chemokin (C, CC, CXC, CX3C), nhân tố kích hoạt plasminogen tổ chức ( tPA ), men urokinase (UK), pro-urokinase (pro-UK ), calcitonin, nhân tố sinh trưởng thần kinh ( NGF), enkephalin (chữa bệnh thần kinh), thymosin (tăng cường miễn dịch ), hemopoietin (chữa thiếu máu) , protein huyết tương (PP) , relaxin (hỗ trợ sản phụ), nhân tố đông tụ máu (BCF), các loại vaccin tái tổ hợp ( phòng chống viêm gan B, viêm não Nhật Bản, dịch tả, sởi, bại liệt, dại, sốt rét, lở mồm long móng...)

CN gen tạo cơ sở điều trị các bệnh di truyền mà trước đây hoàn toàn chịu bó tay: bệnh nhiễm sắc thể thường, bệnh NST giới tính, hội chứng đa bội thể, bệnh đa gen, bệnh phân tử, một số bệnh ung thư...

CN gen hỗ trợ hữu hiệu cho việc chọn giống cây trồng: chọn giống đơn bội, chọn giống đa bội, tạo dưa hấu không hạt, chọn giống có hiệu suất quang hợp cao, chọn giống mang gen cố định đạm (không cần phân đạm), chọn giống mang gen diệt sâu hại ( hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu), chọn giống kháng virus, chọn giống giàu dinh dưỡng, chọn giống đề kháng thuốc trừ cỏ...

GMO

CN gen mở ra tiền đồ to lớn trong việc tạo ra các cây trồng chuyển gen ( GMC= Genetic Modification Containment hay GMO = Genetically Modified Organism): Cây thuốc lá là cây chuyển gen đầu tiên được đưa vào ứng dụng (1983). Sau đó là cây bông kháng sâu và kháng cỏ dại (1986). Khi đó chỉ mới có 5 loại GMC được đưa ra thử nghiệm. Đến năm 1992 số GMC đã tăng lên đến 675 loại. Trong vòng 12 năm (1987-1999) riêng Hoa Kỳ đã đưa vào thí nghiệm đồng ruộng 4779 loại GMC (!). Diện tích gieo trồng GMC trên thế giới vào năm 1995 là 1,2 triệu ha, năm 1996 là 2,84 triệu ha, năm 1997 là 12,55 triệu ha, năm 1998 là 27,80 triệu ha, năm 1999 là 39,9 triệu ha. Trong tổng số diện tích gieo trồng GMC (1998) thì Hoa Kỳ chiếm 72,8%, Argentina- 15,3%; Canađa- 9,9%; Trung Quốc- 0,7%; Australia- o,4%; Mexico- 0,4%; các nước khác- 0,5%. Trong các loại GMC thì đậu tương chiếm 51,7%, ngô- 30,1%; bông- 9,1%; cải dầu- 8,7%; khoai tây- 0,3%. Về đặc tính chuyển gen thì chủ yếu nhằm mục tiêu đề kháng với thuốc trừ cỏ- 71,0%; đề kháng với sâu hại- 27,6%; đề kháng với cả hai- 1,1%; chỉ có 0,3% là nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm.

Các nước hiện có cách nhìn không thống nhất về GMC. Hoa Kỳ mở rộng rất nhanh chủng loại và diện tích gieo trồng GMC. Trung Quốc thận trọng hơn nhưng riêng loại bông kháng sâu hại cũng đã được đưa ra diện tích tới 5 triệu mẫu TQ (15 mẫu TQ = 1ha). Nhiều nước Châu Âu chống lại chủ trương phát triển các loại GMC. Cũng có thể còn do có cả các lý do cạnh tranh thị trường. Chúng ta chủ trương tôn trọng các quy ước quốc tế về an toàn sinh học nhưng mặt khác cũng cần đẩy mạnh các nghiên cứu và ứng dụng trong phạm vi có thể kiểm soát được.

Về công nghệ tế bào các nước đều đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật nuôi cấy mô (tissue culture) để tạo ra các dòng cây sạch bệnh (ví dụ khoai tây sạch virus) hoặc nhân nhanh các giống quý hiếm hay là có giá trị kinh tế cao (ví dụ cây hông, cây sung Mỹ , nhân sâm, tam thất...). Việc nuôi cấy tế bào (cell culture) có thể dùng làm nơi lưu giữ nguồn gen, có thể gây đột biến để dùng trong chọn giống. Việc nuôi cấy tế bào động vật còn để dùng làm môi trường sản xuất nhiều loại vaccin virus. Để nuôi cấy tế bào có thể dùng phương pháp nuôi cấy bề mặt, nuôi cấy chìm, nuôi cấy lắc, nuôi cấy huyền phù, nuôi cấy phân đợt, nuôi cấy liên tục, nuôi cấy phân đoạn- liên tục, nuôi cấy fedbatch...

Sử dụng kỹ thuật dung hợp tế bào (cell fusion) có thể tạo ra một tế bào lai, thông qua kỹ thuật nuôi cấy mô có thể tạo ra một cây lai khác loài, ví dụ cây khoai-cà (pomate) trên mặt đất cho quả cà chua, dưới mặt đất cho củ khoai tây (!).

Trong công nghệ tế bào cần chú ý đến thành quả đột xuất về chuyển nhân (nuclear transplantation) và sự ra đời con cừu Dolly của Wilmut vào năm 1997. Đó là thành công mở đầu của việc sinh sản vô tính (cloning) một động vật có vú. Về sau các nhà khoa học khác đã liên tiếp tạo ra bằng phương pháp sinh sản vô tính này các con chuột, dê, cừu, bò, lợn… Nếu thành công trong việc chuyển vào lợn những gen của người để chống lại sự đào thải sau khi ghép phủ tạng rồi cho sinh sản vô tính để tạo ra hàng loạt các con lợn quý giá này thì hoàn toàn có thể mở ra một tiền đồ rộng lớn trong việc dùng phủ tạng của lợn (thận, gan, tim...) để ghép cho người bệnh.

Người ta cũng đã thành công trong việc nuôi cấy các tế bào gốc của phôi thai (embryonic stem cell) và dùng chúng vào các mục tiêu điều trị các bệnh hiểm nghèo , kể cả các bệnh di truyền.

Công nghệ enzym/protein

Về công nghệ enzym/protein người ta đã sử dụng thành công kỹ thuật enzym bất động (immobilized ezyme) hoặc tế bào bất động (immobilized cell) để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm được tạo thành nhờ hoạt động xúc tác của enzym. Nhờ sử dụng công nghệ gen người tacó thể tạo ra khả năng sản sinh một enzym mới nhờ vi khuẩn hoặc nấm men hoặc là nâng cao thêm lên nhiều lần hoạt tính sản sinh enzym của chúng.

Sản phẩm CNSH có giá trị thực tiễn rất lớn và vì vậy đã đem lại những nguồn doanh thu khổng lồ cho các Công ty CNSH ở nhiều nước. Sau khi sản xuất thành công insulin vào năm 1982 đến nay cơ quan FDA của Hoa Kỳ đã cho phép sản xuất mới trên 50 loại dược phẩm tái tổ hợp gen. Hiện nay ở Hoa Kỳ đã có trên 1300 Công ty CNSH, Châu Âu có 700 Công ty CNSH. Năm 1996 doanh thu chỉ riêng về các dược phẩm tái tổ hợp gen ở Hoa Kỳ đã đạt tới 8 tỷ USD, mõi năm bình quân tăng 13% và dự kiến doanh thu vào năm 2006 là 25 tỷ USD (!). Nhật Bản vào thời điểm 1996 doanh thu về các dược phẩm tái tổ hợp gen đã đạt đến 489,1 tỷ Yen, chiếm 25% tổng doanh thu về các sản phẩm CNSH. Tại Hoa Kỳ năm 2000 doanh thu chỉ riêng các sản phẩm CNSH nông nghiệp đã đạt đến 11-15 tỷ USD (!)

Công nghệ sinh học nano

Công nghệ sinh học còn cần sớm tiếp cận với Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology) . Đó là việc 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 các dược phẩm mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp (recombinant ADN), 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 mà phần di động được chỉ có kích cỡ phân tử protein, 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 (!). Riêng thị phần Công nghệ sinh học nano đến năm 2010 vào khoảng 300 tỷ USD (theo Ian J.Mehr, 2002).

Nước ta có nguồn gen sinh học đa dạng vào loại nhất thế giới; có rất nhiều tiềm năng để phát huy thế mạnh của nghề nông, nghề rừng, nghề biển; có phong phú các nguồn nguyên liệu cho công nghệ lên men (rỉ đường, tinh bột, cellulose và lignin...). Chúng ta có trí thông minh chẳng thua kém ai nhưng nếu được tổ chức lại thì trí thông minh ấy mới có thể biến thành sức mạnh.

Đề nghị:

Tôi xin mạnh dạn đề xuất 5 kiến nghị cụ thể sau đây:

-Cần coi các Trường Đại học Quốc gia và các Trường Đại học trọng điểm là nguồn đào tạo chủ yếu cán bộ có trình độ Đại học và trên Đại học về CNSH. Cần nâng cao chất lượng các giáo trình và điều kiện thực hành cho sinh viên chuyên ngành CNSH. Cần ưu tiên các học bổng du học cho CNSH.

-Chấn chỉnh lại các Phòng thí nghiệm trọng điểm theo hướng tách khỏi hoạt động của các Viện lớn và thu hút về đây nhiều nhân tài đã được đào tạo sâu ở nước ngoài nhưng đang tản mát tại các cơ quan khác. Có chế độ hợp tác mật thiết với các Trường Đại học trong nghiên cứu khoa học và trong việc đào tạo sinh viên , nghiên cứu sinh tại các Phòng thí nghiệm này.

-Nhà nước giao trách nhiệm cụ thể về từng vấn đề ưu tiên trong CNSH cho từng đơn vị và tạo đủ điều kiện để hoàn thành trong một thời hạn nhất định. Cần có biện pháp dân chủ để lựa chọn đúng vấn đề và đúng đối tượng được giao trách nhiệm.

- Về các nghiên cứu ứng dụng và triển khai CNSH cần áp dụng chế độ cho vay kinh phí và nếu sau thời hạn đăng ký mà không thành công phải xuất toán 100%, ngược lại nếu thành công sẽ được thưởng thêm một cách tương xứng.

-Đề nghị cho thành lập Viện Vi sinh vật học, trong đó có Bảo tàng Quốc gia lưu giữ nguồn gen vi sinh vật.

GS.TS. Nguyễn Lân Dũng

PCT thường trực Hội Các ngành Sinh học VN

Tổng thư ký Hội Vi sinh vật học VN sinh vật học VN sinh vật học VN