Công nghệ sinh học (Biotechnology) là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao, phục vụ phát triển kinh tế – xã hội và bảo vệ môi trường.
1. Định nghĩa công nghệ sinh học
a. Định nghĩa tổng quát
Có nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả, nhưng đã thống nhất về khái niệm cơ bản sau đây:
Công nghệ sinh học là quá trình sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp, trong đó nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật, động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ.
Vụ Khoa học và Công nghệ, Ban Tuyên giáo Trung ương (2018) dùng định nghĩa:
Công nghệ sinh học là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao, phục vụ phát triển kinh tế – xã hội và bảo vệ môi trường.
Đầu những năm 1980, đã bắt đầu hình thành công nghệ sinh học hiện đại là lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào đã được biến đổi di truyền. Công nghệ sinh học hiện đại ra đời cùng với sự xuất hiện kỹ thuật gen. Cơ sở sinh học được áp dụng ở đây bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, cùng các nguyên lý kỹ thuật máy tính…
Có hai cách định nghĩa công nghệ sinh học một cách tổng quát:
– Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng một bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm của chúng.
– Do Trường Luật Stanford (1995) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm và chức năng của gen đó.
Sự khác biệt rõ rệt nhất của hai định nghĩa trên thuộc về đối tượng tác động của công nghệ sinh học: UNESCO xem cơ quan, bộ phận, tế bào và chức năng riêng rẽ của sinh vật là đối tượng, trong khi đó Trường Luật Stanford lại coi gen là đối tượng tác động của công nghệ.
Theo thời gian, công nghệ sinh học được phát triển với ba cấp độ khác nhau:
– Công nghệ sinh học truyền thống như các hoạt động chế biến thực phẩm (rượu, giấm, sữa chua, dưa chua, cà muối, phomát, tương, nước mắm, men bánh mỳ…), ủ phân, phơi ải đất, diệt khuẩn và ức chế vi sinh vật có hại…
– Công nghệ sinh học 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, axít amin, axít citric và các axít hữu cơ khác, chất kháng sinh, nhiều vitamin, các loại vắcxin, kháng độc tố, các kit chẩn đoán bệnh truyền nhiễm, thuốc trừ sâu sinh học, phân bón sinh học…).
– Công nghệ sinh học hiện đại chỉ mới xuất hiện trong vài thập kỷ gần đây. Công nghệ sinh học 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 sinh vật mới hoặc bắt các sinh vật này tạo ra các protein hay các sản phẩm khác mà vốn dĩ chúng không tạo ra được. Công nghệ sinh học hiện đại 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),…
Trong thực tế, người ta còn phân loại công nghệ sinh học theo lĩnh vực ứng dụng của chúng, như:
- Công nghệ sinh học lam để mô tả các ứng dụng trong hàng hải và thủy sản,
- Công nghệ sinh học xanh chỉ những ứng dụng của công nghệ sinh học trong nông nghiệp,
- Công nghệ sinh học đỏ chỉ những ứng dụng trong lĩnh vực y dược
- Công nghệ sinh học trắng hay còn được gọi là công nghệ sinh học công nghiệp chỉ những ứng dụng trong công nghiệp.
b. Nội dung khoa học của công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học cũng có thể được phân loại theo các kiểu khác nhau. Xét về góc độ các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình công nghệ sinh học, có thể chia thành các nhóm sau:
- Công nghệ sinh học thực vật (plant biotechnology)
- Công nghệ sinh học động vật (animal biotechnology)
- Công nghệ sinh học vi sinh vật (microbial biotechnology)
- Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzyme (enzyme biotechnology)
Gần đây, đối với các nhân tố sinh học dưới tế bào còn hình thành khái niệm công nghệ protein (protein engineering) và công nghệ gen (gene engineering). Công nghệ protein và công nghệ gen xuyên suốt và trở thành công nghệ chìa khóa nằm trong công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật và công nghệ sinh học vi sinh vật. Nhờ kỹ thuật đọc trình tự gen và kỹ thuật DNA tái tổ hợp, công nghệ gen đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn mang tính quyết định, mở ra những giai đoạn phát triển mới. Đó là nghiên cứu về toàn bộ genome của nhiều sinh vật, đáng chú ý là việc giải mã genome của con người và của cây lúa. Đó là việc hình thành cả một phương hướng nghiên cứu, ứng dụng và kinh doanh các sinh vật biến đổi gen (gentically modified organism-GMO) và các thực phẩm biến đổi gen (gentically modified food-GMF). Công nghệ protein có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc sản xuất ra các protein tái tổ hợp (recombinant protein) dùng làm dược phẩm điều trị các bệnh hiểm nghèo như interferon, interleukin, insulin…
Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ của công nghệ sinh học, có thể chia ra các lĩnh vực công nghệ sinh học khác nhau như:
- Công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture)
- Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (biotechnology in food processing)
- Công nghệ sinh học y dược (biotechnology in medicine-pharmaceutics)
- Công nghệ sinh học môi trường (environmental biotechnology)
- Công nghệ sinh học vật liệu (material biotechnology)
- Công nghệ sinh học hóa học (biotechnology in chemical production)
- Công nghệ sinh học năng lượng (biotechnology in energy production)…
Một số tác giả cho rằng loài người đã áp dụng công nghệ sinh học từ rất lâu vào các hoạt động sản xuất, ví dụ: công nghệ sản xuất đồ uống (rượu, bia…) hoặc công nghệ sản xuất thực phẩm (men bánh mì, nước mắm, tương, chao…). Do đó, việc định nghĩa và phân loại công nghệ sinh học trong giai đoạn phát triển ban đầu có một ý nghĩa rất quan trọng để có những chính sách đầu tư hợp lý và ưu tiên cho công nghệ sinh học.
Công nghệ sinh học là gì?
2. Ngành công nghiệp sinh học
Công nghiệp sinh học là ngành kinh tế – kỹ thuật công nghệ cao dựa trên việc ứng dụng các thành tựu của công nghệ sinh học để sản xuất ra các sản phẩm hàng hóa ở quy mô công nghiệp.
Trong thực tế, ở Việt Nam hiện nay, ngành công nghiệp sinh học bước đầu đã sản xuất được một số sản phẩm phục vụ cho các lĩnh vực: chế biến nông, lâm, thủy, hải sản; sản xuất rượu, bia, nước giải khát, nước chấm; sản xuất các axít amin, axít hữu cơ, enzym công nghiệp, phụ gia thực phẩm; sản xuất các giống cây trồng, vật nuôi, giống thủy sản, phân bón, thuốc trừ sâu sinh học, vắcxin thú y, vắcxin phục vụ chương trình tiêm chủng mở rộng cho trẻ em, vắcxin cúm gia cầm, thuốc chữa bệnh, kháng sinh và các loại dược phẩm khác; sản xuất các chế phẩm vi sinh để xử lý rác thải, nước thải, khí thải, làm sạch nước sinh hoạt và các sự cố môi trường…
3. Ứng dụng công nghệ sinh học tại Việt Nam
a. Trong nông nghiệp
Công nghệ sinh học được phát triển và ứng dụng trong nông nghiệp ở ba lĩnh vực chính sau:
– Giống cây trồng và vật nuôi nhân vô tính và biến đổi gen mang những đặc điểm nông – sinh quý giá mà các phương pháp truyền thống không tạo ra được, đồng thời được bảo vệ thông qua bản quyền tác giả.
– Các chế phẩm sinh học dùng trong bảo vệ cây trồng vật nuôi, như: vắcxin, thuốc trừ sâu bệnh và phân bón vi sinh.
– Công nghệ bảo quản và chế biến nông – hải sản bằng các chế phẩm vi sinh và enzyme. Giá trị nông sản được nâng lên nhiều lần và quy trình công nghệ đi kèm trang thiết bị là một dạng hàng hóa trong kinh doanh chuyển giao công nghệ.
Công nghệ sinh học đã có những tác động rất tích cực trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm. Nhiều kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và đem lại những giá trị kinh tế cao. Nhiều giống cây trồng mang gen kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ… đã được đưa ra thị trường như: bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường… Nhiều loại vật nuôi đã được thụ tinh trong ống nghiệm và cấy truyền phôi, sử dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn và sản lượng sữa ở trâu, bò, kể cả sản lượng thực phẩm và các chất phụ gia sinh học…
b. Trong lĩnh vực chăn nuôi, thú y, thủy sản
Trong chăn nuôi, thú y, thủy sản, công nghệ sinh học đã được ứng dụng trong việc chọn tạo giống, nhân nhanh giống, sản xuất thức ăn, sản xuất vắcxin và xử lý môi trường nuôi.
Công nghệ chỉ thị phân tử đã giúp xác định được các nguồn di truyền mang gen hữu hiệu phục vụ công tác lai, chọn tạo giống bò, lợn, gà và các giống thủy sản; công nghệ sinh sản đã ứng dụng để nghiên cứu nâng cao hiệu quả sinh sản, sản lượng sữa của bò, bảo quản tinh dịch lợn; đã chọn được một số giống thủy sản, lưu giữ và phát triển nguồn gen được định hướng, tập trung vào các đối tượng nuôi chủ lực như: cá tra, cá hồi vân, cá giò, cá rô phi, tôm sú, tôm thẻ chân trắng, tôm càng xanh…
Những kết quả này đã đem lại hiệu quả kinh tế rất cao.
Nghiên cứu, sản xuất thành công vắcxin phòng chống H5N1 bằng chủng NIBRG-14, hiện đang sản xuất 200 triệu liều/năm; vắcxin đa giá phòng một số bệnh truyền nhiễm của gia cầm, lợn; công nghệ vector tái tổ hợp mang gen GM-CSF (Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor) và interleukin kích ứng miễn dịch cho gia cầm. Chương trình phát triển sản phẩm quốc gia đang triển khai nghiên cứu một số vắcxin như: vắcxin lở mồm long móng, cúm A/H5N1 với biến chủng mới, vắcxin phòng bệnh tai xanh đã được nghiên cứu và sản xuất thành công ở Việt Nam.
c. Trong lĩnh vực y dược
Trong lĩnh vực y dược, nhiều công trình nghiên cứu của công nghệ sinh học đã được ứng dụng thành công, đặc biệt là trong sản xuất thuốc và trong chẩn đoán bệnh, như: các loại kháng sinh và các chất diệt khuẩn, các loại vitamin và chất bổ dưỡng, các loại amino acid và hỗn hợp của chúng trong dịch truyền, các loại vắcxin và các loại hormone chữa bệnh; các bộ kit chuẩn dùng trong chẩn đoán bệnh và chẩn đoán hóa sinh trong y dược.
Cây trồng và vật nuôi được cấy chuyển gen sản sinh ra các loại protein trị liệu đang là mục tiêu đầu tư của khá nhiều công ty y dược hàng đầu trên thế giới hiện nay. Cụ thể là nghiên cứu và sản xuất các dược phẩm, các kháng thể đơn dòng, interferon, các hormone (hormone sinh trưởng, insulin, erythropoietin, thrombopoietin…); các enzyme (urokinase, heparinase, alcohol dehydrogenase), các protein khác (các kháng nguyên đặc hiệu, albumin, antithrombin, fibronectin…); các kháng sinh, thuốc và vitamin mới, các dược phẩm có bản chất protein, các loại vắcxin viêm gan B, C, HIV, cúm, sốt rét, viêm não, tả và các tác nhân gây bệnh tiêu chảy; các kit chẩn đoán như: chẩn đoán sự có mặt HIV, virút viêm gan B và C trong máu, một số chẩn đoán thai…; liệu pháp gen: điều trị các gen gây bệnh di truyền.
d. Trong công nghiệp
Trong công nghiệp, công nghệ sinh học được ứng dụng vào sản xuất các loại enzyme dùng trong công nghiệp dệt, công nghiệp sản xuất xà phòng và mỹ phẩm, công nghiệp sản xuất bánh kẹo, rượu bia và nước giải khát…
– Công nghiệp hóa chất: Các hóa chất thông dụng đều có thể sản xuất bằng công nghệ sinh học. Công nghiệp hóa chất sẽ có hiệu quả hơn nếu dùng các chất xúc tác sinh học (enzyme), tái sinh và xử lý các dung môi bằng con đường sinh học.
– Quá trình chế biến tinh bột: Dùng các enzym do công nghệ sinh học tạo ra để dịch hóa và đường hóa tinh bột thành glucose và chuyển hóa thành fructose.
– Công nghiệp làm sạch: Các chất giặt tẩy hiện đại được bổ sung protease và các enzym khác làm sạch các vết bẩn protein, tinh bột và chất béo.
– Công nghiệp sản xuất bột gỗ và giấy: Công nghệ sinh học đưa ra giải pháp sinh học để sản xuất bột giấy không gây ô nhiễm bằng cách sử dụng các loại nấm phân hủy lignin-cellulose để tạo bột. Các enzyme cũng được dùng nâng cao chất lượng sợi và chất lượng giấy.
– Công nghiệp khai khoáng và phát hiện khoáng sản: Có hai công nghệ: lọc sinh học/ôxy hóa sinh học các kim loại, xử lý ô nhiễm kim loại và tái sinh. Công nghệ lọc kim loại dùng các vi sinh vật có thể thu được các kim loại quý như đồng, kẽm và cobalt. Công nghệ xử lý sinh học ô nhiễm có thể áp dụng đối với các kim loại nặng.
f. Trong bảo vệ môi trường
Trong bảo vệ môi trường, công nghệ sinh học được ứng dụng nhằm:
– Phân hủy các độc chất vô cơ và hữu cơ; phục hồi các chu trình trao đổi chất của cácbon, nitơ, phốt pho và lưu huỳnh trong tự nhiên; thu nhận các sản phẩm có giá trị ở dạng nhiên liệu hoặc các hợp chất hữu cơ.
– Xử lý chất thải như: xử lý sinh học hiếu khí, xử lý bằng lên men phân hủy yếm khí; xử lý các chất thải công nghiệp như: xử lý chất thải công nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải công nghiệp dệt…
– Thu nhận các chất có ích từ lên men yếm khí như: xử lý các dạng nước thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng.
– Dùng vi sinh vật có khả năng ăn dầu để xử lý các sự cố tràn dầu hay ô nhiễm dầu; dự phòng môi trường nhờ các thiết bị dò và theo dõi ô nhiễm môi trường, đặc biệt trong việc dò nước và khí thải công nghiệp trước khi giải phóng ra môi trường.
g. Trong quốc phòng an ninh
Trong quốc phòng, an ninh, công nghệ sinh học được ứng dụng ở một số phương diện sau:
– Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các phương pháp phòng, chống các loại vũ khí sinh học.
– Nghiên cứu, xây dựng tàng thư gen người trên một số đối tượng cần quản lý; nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong đấu tranh phòng, chống, truy tìm tội phạm, quản lý nguồn nhân lực, phục vụ công tác bảo đảm quốc phòng, an ninh.
4. Các công nghệ sinh học Việt Nam đã làm chủ
Về công nghệ gen (tái tổ hợp ADN), công nghệ ADN được coi là công nghệ xương sống của công nghệ sinh học. Trong thời gian qua, các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu thành công một số công nghệ có tính ứng dụng cao như: giải trình tự gen của các vi sinh vật gây bệnh, hệ gen ty thể của một số tộc người Việt Nam, giám định gen hài cốt liệt sĩ; chế tạo thành công bộ kit 16 gen giám định cá thể người, chế tạo thẻ gen để lưu giữ thông tin cá thể người dưới dạng ADN (gencard)…; giải trình tự genome một số sinh vật đặc hữu của Việt Nam như: lúa, tôm sú và cà phê,…
Về công nghệ tế bào thực vật và động vật phục vụ chọn, tạo giống mới trong nông, lâm, thủy sản và phát triển liệu pháp tế bào trong y tế, đã thành công trong việc sử dụng tế bào gốc tự thân điều trị cho bệnh nhân viêm loét giác mạc, trong điều trị các tổn thương cơ, xương, khớp khó liền… và xây dựng được một số ngân hàng tế bào gốc; đã làm chủ công nghệ tế bào, công nghệ sinh sản tế bào động vật tạo vật nuôi chất lượng cao, năng suất cao, chống bệnh tốt; công nghệ bioreactor sản xuất giống cây trồng quy mô lớn và bảo đảm sạch bệnh. Bước đầu làm chủ công nghệ phôi và thử nghiệm công nghệ nhân bản tạo giống bò sữa cao sản.
Về công nghệ enzym-protein phục vụ phát triển công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, đã nghiên cứu và tạo được các chủng vi sinh vật tái tổ hợp ổn định về mặt giống có khả năng dùng để sản xuất thuốc như: insulin, interleukin 2, Rips, kháng sinh thế hệ mới Cephalosporin…; làm chủ được công nghệ để sản xuất enzym dùng cho nghiên cứu công nghệ sinh học là: Taq ADN polymeraza, T4 ADN ligaza có hoạt tính và chất lượng tương đương thương phẩm, giá thành thấp hơn nhiều so với nhập ngoại.
Về công nghệ vi sinh vật định hướng công nghiệp, đã tạo được các chủng tái tổ hợp dùng để làm vắcxin như: vắcxin viêm gan B, vắcxin cúm A/H5N1, vắcxin Gumboro, vắcxin Rota, các vắcxin đa giá… nhiều loại vắcxin được kiểm nghiệm ở nước ngoài đạt kết quả tương tự như các vắcxin ngoại nhập; tạo được các chủng vi sinh vật có hoạt tính cao có thể dùng làm thuốc trừ sâu sinh học, chế phẩm sinh học an toàn với môi trường như: Bacillus thuringiensis, Metharrhizium anisopliae, Ralstoria solanacearum…; một loạt các chủng vi sinh vật tái tổ hợp có khả năng đưa vào sản xuất ở quy mô công nghiệp như: chủng vi sinh vật sinh enzym proteaza, enzym lipaza, enzym lignin peroxidase, laccase, enzyme pectinase và glucose oxidase. Các sản phẩm này có nhu cầu tiêu thụ mạnh trong nước để phát triển ngành công nghiệp vi sinh vật.
Tài liệu tham khảo:
- Hỏi – đáp về phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học ở Việt Nam, Vụ Khoa học và Công nghệ, Ban Tuyên giáo Trung ương biên soạn, 2018
- Giáo trình Nhập môn Công nghệ sinh học, Nguyễn Hoàng Lộc, 2007
