Ứng dụng sinh học tổng hợp: Ở vi sinh vật và các loài thực vật
Công nghệ sinh học nói chung và sinh học tổng hợp nói riêng là một trong những động lực quan trọng của cách mạng công nghiệp lần thứ tư.
Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực mới nổi có tiềm năng cung cấp vô số khả năng và ứng dụng tiềm năng như: Xử lý các vấn đề liên quan đến kỹ thuật tế bào và mô, liệu pháp gen, các vật liệu sinh học, phân tích sinh học và tổng hợp sản phẩm tự nhiên. Ngoài ra, người ta tin rằng phương pháp này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất hàng loạt các hợp chất có ích và các hóa chất bao gồm thuốc, nhiên liệu sinh học…
Hiện vẫn chưa thống nhất được quan điểm để có thể định nghĩa được chính xác về sinh học tổng hợp. Tuy nhiên, có thể hiểu sinh học tổng hợp là kỹ thuật sinh học: Tổng hợp các hệ thống phức tạp, dựa trên sinh học (hoặc lấy cảm hứng), có các chức năng không tồn tại trong tự nhiên. Quan điểm kỹ thuật này có thể được áp dụng ở tất cả các cấp bậc của các cấu trúc sinh học - từ các phần tử riêng lẻ đến toàn bộ tế bào, các mô và các sinh vật. Về bản chất, sinh học tổng hợp sẽ cho phép thiết kế “hệ thống sinh học” một cách hợp lý và có hệ thống (EC 2005).
Theo Polizzi (2013) thì sinh học tổng hợp là một tập hợp các hoạt động nghiên cứu giao thoa giữa kỹ thuật, mô hình máy tính và khoa học sinh học. Nó được dựa trên nhiều công nghệ và công cụ khác nhau bao gồm những tiến bộ trong sắp xếp ADN, các công nghệ tổng hợp gen rẻ hơn, năng lực tính toán cao hơn và hiểu biết tốt hơn về các hệ thống sinh học.
Theo Ủy ban khoa học về Y tế và xác định rủi ro mới - SCENIHR (2014) thì Sinh học tổng hợp là việc ứng dụng khoa học, công nghệ và kỹ thuật để dễ dàng và đẩy nhanh việc thiết kế, sản xuất và/hoặc thay đổi các vật liệu gen trong các sinh vật sống.
Ứng dụng sinh học tổng hợp trong năng lượng tái tạo như quang hợp nhân tạo, thay thế các phương pháp sản xuất cũ bằng giống mới có tác động ít hơn môi trường, và vật liệu mới. Người ta có thể, sử dụng các chất thải nông nghiệp để sản xuất động bề mặt, một trong các lớp học sử dụng nhiều nhất của hóa chất. Có khả năng làm cao su cho lốp xe, mà hiện nay có nguồn gốc hoàn toàn từ nguồn hóa dầu, từ nguyên liệu tái tạo thông qua quá trình lên men. Cũng như, tiềm năng để loại bỏ chất thải nhựa. Nó cũng có thể cải thiện việc sản xuất thuốc kháng sinh, vắc-xin và nhiều hơn nữa. Hiện nay, một số doanh nghiệp khởi nghiệp đang có ý tưởng tạo thịt bằng công nghệ sinh học tổng hợp, từ đó đưa gia súc ra khỏi chuỗi thức ăn của con người (Startup Finless Foods ở San Francisco), chế tạo thịt, sữa, gelatin và da mà không cần nuôi gia súc. Thậm chí, có thể “gửi dữ liệu DNA của vi sinh vật qua Email, rồi sau đó tái tạo lại các tế bào ở một nơi khác ”, Andrew Hessel, một trong các đồng sáng lập công ty công nghệ sinh học GP-Write cho biết.
Sinh học tổng hợp ở vi sinh vật
Quá trình thiết kế thiết bị hoặc hệ thống được thực hiện trong tế bào chủ cụ thể. Các loài vi sinh vật mô hình chủ yếu thực hiện các hoạt động cơ bản trong sinh học tổng hợp (kỹ thuật chuyển hóa và xây dựng bộ gen tối thiểu) gồm có vi khuẩn Escherichia coli và Saccharomyces cerevisiae. Đây là những sinh vật mô hình quan trọng với kho dữ liệu từ các nghiên cứu cơ bản có sẵn, ấn tượng và đảm bảo. Escherichia coli có thể được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm với vai trò vật chủ để tái tạo sinh học tổng hợp. Phương pháp này mang lại những lợi ích đáng kể so với sản xuất. Saccharomyces cerevisiae thích ứng tốt trong điều kiện công nghiệp, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp như một "giải pháp dùng ngay” (plug and play).
Một số lợi ích của sinh học tổng hợp ở vi sinh vật như: Tăng cường khôi phục lại các chất kim loại mỏ và hỗ trợ xử lý dòng nước thải axít mỏ bằng phương pháp sinh học; thiết kế các cảm biến sinh học toàn bộ tế bào có khả năng nhận biết được sự hiện diện của một tín hiệu nào đó, chẳng hạn như asen trong nguồn nước sinh hoạt; thiết kế bộ cảm biến asen sinh học có thể dùng cho các khu vực sản xuất mỏ ở các nước đang phát triển, bằng cách dùng các vi khuẩn Escherichia coli đã được kết đông để làm biến màu khi có sự hiện diện của asen; điều tiết vi khuẩn Escherichia coli tiết ra auxin, một loại hoocmon thực vật có khả năng kích thích sự tăng trưởng của rễ cây; dùng vi khuẩn bao bọc lớp bên ngoài các hạt giống được trồng ở các khu vực có nguy cơ bị sa mạc hoá; phân hủy chất diệt cỏ nhờ tái lập trình "Escherichia coli".
Sinh học tổng hợp trong các loài thực vật
Sự phát triển trong lĩnh vực sinh học tổng hợp ở thực vật bị chậm hơn so với các hệ thống vi sinh vật. Tuy nhiên, lợi ích thực tế thu được từ các phương pháp sinh học tổng hợp đã được ứng dụng thành công bởi cộng đồng công nghệ sinh học vi sinh vật, đặc biệt là các kỹ thuật lắp ráp AND. Trong lĩnh vực này, Arabidopsis thaliana là sinh vật mẫu. Nó chứa rất nhiều thông tin về chức năng gen hoặc các con đường chuyển hóa và điều tiết gen đã được tạo ra bởi các nghiên cứu cơ bản. Vì vậy, nó được xem như là loài thực vật có giá trị tương đương với Escherichia coli hoặc các loại men và có thể sử dụng nó như một sinh vật nền. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với sinh học tổng hợp trong các loài thực vật là tạo ra các mô hình tích hợp để dễ dàng dự doán các công nghệ kỹ thuật. Đối với vấn đề này, thành phần quan trọng phải đồng nhất với cách thức các mạng lưới điều trình của thực vật phản ứng lại với các thay đổi.
Trong các hệ thống mô phỏng thực vật và thực vật bậc cao thì việc dùng tảo để tạo ra các hợp chất mong muốn đang phát triển nhanh hơn. Tảo là một trong những nguồn nhiên liệu sinh học bền vững đầy tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo trong tương lai. Việc sử dụng tảo và vi tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học là một ứng dụng hấp dẫn do chúng có khả năng tích lũy lượng lipid cao và do hàm lượng tinh bột cao nên là một nguồn dự phòng tốt cho quá trình sản xuất ethanol sinh học.
Việc chuyển đổi năng lượng và sản xuất nhiên liệu sinh học từ chất thải nông nghiệp phi lương thực sử dụng các kỹ thuật sinh học tổng hợp các loại nguyên liệu như thân cây ngô, rơm, củ cỏ, cỏ dại, gỗ dăm và các loại cây sinh khối chuyên dụng như mía, ngô, ngũ cốc và cỏ dại cũng đang được quan tâm phát triển nhằm sản xuất được nhiên liệu và các sản phẩm hóa học từ nguồn nguyên liệu đơn giản, rẻ tiền và có khả năng tái tạo một cách bền vững…
Bên cạnh đó, sinh học tổng hợp không chứa tế bào để thay thế nuôi cấy tế bào thực vật cũng là một tiềm năng để sản xuất ra các hợp chất mong muốn và để kết hợp chặt chẽ các axit amin phi tự nhiên đã được mã hóa mà không bị giới hạn và không cần thiết phải có các tế bào sống nguyên vẹn. Nhiễm sắc thể siêu nhỏ được thiết kế trong các loài thực vật sẽ được ứng dụng trong tương lai nhằm hướng đến sự thích nghi và cải tiến của cây trồng thực địa.
Một nhánh của sinh học tổng hợp là phương pháp quang hợp nhân tạo, hay tạo ra các thực vật hấp thụ hiệu quả hơn năng lượng mặt trời và trực tiếp chuyển đổi nó thành nhiên liệu. Trong phạm vi này, thiết kế “lá cây” nhân tạo đã được đề xuất, với khái niệm chính là sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra hydro và các nhiên liệu khác có hiệu quả hơn nhiều so với tạo sinh khối từ lá cây thật.
Tài liệu tham khảo
1. Tổng luận: Sinh học tổng hợp, 8-2017;
2. Công nghệ sinh học tổng hợp, Nguyễn Xuân Hoài, 2017.
Nguyễn Nhi