CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG ĐỜI SỐNG HIỆN NAY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ NGUYỄN ANH TÚ 18150381

CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG ĐỜI SỐNG HIỆN NAY:
MỘT BÀI TỔNG QUAN NGẮN

Thành phố Hồ Chí Minh, 2021


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

Theo chiều dài lịch sử, khi những kiến thức về lĩnh vực sinh học và
khoa học công nghệ xuất hiện, sự trau dồi qua từng năm tạo tiền
đề cho cơng nghệ sinh học hình thành và phát triển. Công nghệ
sinh học là một trong những công nghệ tiên tiến mà các nước đang
đầu tư, nhằm để đạt được sự phát triển bền vững trong thế kỷ này
[1]. Công nghệ sinh học trải qua nhiều cuộc cách mạng, để lại
nhiều thành tựu to lớn và một trong số đó đã được ứng dụng vào
thực tiễn cuộc sống.
GMO/chỉnh sửa gen là một bước tiến lớn trong nền khoa học cơng
nghệ hiện đại, chúng mang lại nhiều lợi ích về nhiều lĩnh vực cho
con người trong hiện tại và tương lai. Tạo ra một sinh vật biến đổi
gen (GMO), mục đích chính là cung cấp một sinh vật mục tiêu có
một hoặc một số đặc điểm mới bằng cách sử dụng các kỹ thuật
công nghệ sinh học [25]. Bên cạnh những lợi ích, chúng ln đi
kèm với rủi ro, ví dụ như thực phẩm có nguồn gốc từ GMO có thể
tăng độc tính gây nhiều tác dụng phụ [15]. Đó là một trong những

rủi ro gây tranh cãi của GMO. Từ đó, có thể cho rằng, hầu hết sự
quan tâm và tranh luận của công chúng đã được tạo ra bởi tiềm
năng y học của việc chỉnh sửa bộ gen, có cơ sở hy vọng về những
đóng góp quan trọng trong nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và
sản xuất thực phẩm [3, 4]. Thế nên, các công ty đa quốc gia phải
đảm bảo nguồn cung cấp đáng tin cậy những hạt giống này [15].
Cần có những nghiên cứu sâu hơn để đánh giá xem sự chấp nhận
của người tiêu dùng đối với cây trồng biến đổi gen như thế nào và
liệu các chuyên gia có bất kỳ ý kiến nào về cơng nghệ này, rằng
nó có thể được sử dụng để hỗ trợ kiểm sốt thực phẩm tốt hơn hay
khơng [11]. Tất cả các công nghệ đều gắn liền với cả rủi ro và lợi
ích, và rất ít cơng nghệ sẽ được áp dụng khi chỉ được phân tích

2


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

riêng về mặt rủi ro [26]. Tại thời điểm hiện tại, khơng có tiêu
chuẩn quốc tế nào để đánh giá những lợi ích tiềm năng liên quan
đến việc phát hành một sinh vật GMO mới, mặc dù ở nhiều quốc
gia, phân tích rủi ro - lợi ích trở thành một phần không thể thiếu
trong khuôn khổ quy định của GMO [15]. Do đó, GMO nên được
quan tâm và kiểm soát chặt chẽ hơn bởi chúng thật sự cần thiết
cho sự phát triển của nhân loại cũng như đặt những dấu mốc quan
trọng trong nền khoa học công nghệ.
Với những tiềm năng đầy hứa hẹn và lợi ích đem lại, các kỹ thuật
chỉnh sửa gen hay sản phẩm GMO được sử dụng rộng rãi trong

nghiên cứu sinh học và dần áp dụng vào thực tiễn đời sống. Các
công cụ kỹ thuật bộ gen đã nhanh chóng phát triển trong suốt
thập kỷ qua, hiện được các nhóm nghiên cứu sử dụng thường
xuyên và ứng dụng rộng rãi, có tác động to lớn đến nghiên cứu
khoa học đời sống cơ bản, y học và nông nghiệp [10]. Nông nghiệp
đã được hưởng lợi từ công nghệ và khoa học thông qua việc áp
dụng dần dần các chất hóa học, các giống cây được cải tiến và
máy móc, thiết bị [11]. Ví dụ như chỉnh sửa qua trung gian
CRISPR/Cas9 bằng cách chèn và thay thế gen đã được sử dụng để
tạo ra lúa kháng thuốc trừ cỏ [9]. Hiện nay, có một số phương
pháp tiếp cận mới được áp dụng trong điều trị, bao gồm cả liệu
pháp gen, đang được phát triển cho những bệnh nhân mắc các
bệnh khó chữa, chẳng hạn như ung thư. Trong tương lai gần,
những bệnh nhân này có thể được điều trị bằng các liệu pháp dựa
trên chỉnh sửa gen, từ đó nhận ra tiềm năng y học của những tiến
bộ khoa học trong chỉnh sửa bộ gen [5]. Nhiều thử nghiệm đầy hứa
hẹn hiện đang được tiến hành để điều tra khả năng ứng dụng
trong lâm sàng và khả năng của việc chỉnh sửa bộ gen in vivo để

3


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

đạt được phương pháp chữa khỏi vĩnh viễn cho một số bệnh nhất
định [12]. Những đột biến thường hiếm và xảy ra ngẫu nhiên, có
nhiều loại biến dị có thể khơng phát sinh ở các giống lồi và do đó,
các chương trình chỉnh sửa gen là cần thiết để đưa các alen mong

muốn vào cơ thể [30]. Có thể nói, việc ứng dụng chỉnh sửa gen và
các sản phẩm GMO vào thực tiễn là cơ sở cho sự phát triển của
nhân loại trong tương lai, tạo tiền đề phát triển và kế thừa cho
những thành tựu khoa học sau này.
Theo nhịp phát triển và ứng dụng mạnh mẽ của công nghệ sinh
học vào thực tiễn, cùng với kỹ thuật chỉnh sửa gen, kỹ thuật giải
trình tự gen thế hệ tiếp theo (Next generation sequencing - NGS)
cũng đã có những thành tựu nhất định và được chú ý đến nhiều
hơn. Giải trình tự gen thế hệ tiếp theo đang được sử dụng rộng rãi
trong phịng thí nghiệm chẩn đốn và nghiên cứu, và ngày nay nó
được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [29], đặc biệt là
trong ung thư [17, 22]. Trong nghiên cứu ung thư, việc xác định
các đột biến chính khiến khối u phát triển cho phép việc lựa chọn
liệu pháp điều trị được tối ưu hóa, bằng cách sử dụng liệu pháp
nhắm mục tiêu chống lại các đột biến cụ thể, là chiến lược duy
nhất và cần thiết để giành chiến thắng trong cuộc chiến của từng
bệnh nhân [20]. Ngay cả trong lĩnh vực bệnh di truyền, ứng dụng
NGS vào các nghiên cứu bệnh tật và đang chuyển đổi mơ hình
nghiên cứu y sinh học đã dẫn đến sự mở rộng đáng kể lĩnh vực
nghiên cứu di truyền liên quan đến bệnh/tính trạng [28]. Các
phương pháp chẩn đoán NGS đã cải thiện đáng kể khả năng chẩn
đoán các bệnh hiếm gặp và đang trở thành một công cụ xét
nghiệm di truyền bậc nhất cho một số nhóm bệnh, làm giảm sự
phụ thuộc các hệ thống y tế quốc gia hay sự hợp tác xuyên biên

4


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

giới [27]. Ta có thể thấy, NGS là một công nghệ đột phá mở ra cơ
hội mới cho y sinh học, áp dụng công nghệ NGS vào thực tiễn là
rất cần thiết và nó nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của y
học chính xác hiện nay.
Kỹ thuật trao đổi chất (Metabolic engineering) là một bước tiến lớn
trong việc sản xuất có hiệu quả các hợp chất tự nhiên hay phi tự
nhiên thông qua các chủng vi sinh vật khác nhau. Sự phụ thuộc
quá nhiều vào các nguồn tài nguyên không thể tái tạo đã và đang
gây ra các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu, thúc giục
chúng ta hướng tới sản xuất hóa chất và vật liệu dựa trên nền tảng
sinh học từ các nguồn tài nguyên tái tạo [7]. Sản xuất hóa chất
dựa trên cơ sở sinh học, từ sản xuất hàng loạt vật liệu và nhiên
liệu, đặc biệt như dược phẩm, hương liệu, mỹ phẩm hoặc nhiều
loại khác, đang có nhu cầu cao trong nền kinh tế sinh học mới
nhằm mục đích thay thế các quy trình tương tự kém bền vững từ
ngành cơng nghiệp hóa chất phụ thuộc vào tài ngun khống sản
[18]. Ví dụ ở con đường tổng hợp isobutanol từ pyruvate được biểu
hiện ở E.coli biểu hiện gen ilvIHCD sản xuất tăng gấp 5 lần so với
chủng không biểu hiện quá mức ilvIHCD [24]. Connor và Liao đã
báo cáo ilvIHCD của E.coli trong sản xuất 3-metyl-1-butanol. Sau
này, Connor và Liao đã cải thiện hơn nữa trong việc sản xuất 3metyl-1-butanol bằng cách chiến lược gây đột biến mà trước đây
được sử dụng để sinh tổng hợp axit amin [6]. Trong nghiên cứu
này, quá trình gây đột biến ngẫu nhiên được thực hiện với chất gây
đột biến N-methyl-N′-nitrosoguanidine [6]. Một ví dụ khác là việc
sản xuất hemoglobin ở người được cải thiện đáng kể nhờ kỹ thuật
trao đổi chất sinh tổng hợp heme ở Saccharomyces cerevisiae
[14]. Do đó, kỹ thuật trao đổi chất đang và sẽ là công cụ và chiến

5


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

lược của tương lai trong việc xây dựng nhà máy tế bào sống và
sinh tổng hợp các hợp chất theo nhu cầu của con người.
Một trong số thành tựu khoa học được ứng dụng trong thực tiễn
cuộc sống là cảm biến nói chung và cảm biến sinh học nói riêng.
Theo đó, cảm biến sinh học là một thiết bị đo lường các phản ứng
sinh học hoặc hóa học bằng cách tạo ra các tín hiệu theo tỷ lệ đến
nồng độ của chất phân tích trong phản ứng [16]. Cảm biến sinh
học có thể được sử dụng như một chất đánh dấu. Bằng phương
pháp OnCELISA, có thể lựa chọn các tế bào phóng thích cytokine
cao trong các bệnh lý phức tạp, chúng có giá trị liệu pháp tế bào
trong tương lai bằng cách sử dụng các tế bào được chọn để tối ưu
hóa các đặc tính cụ thể của chúng [13]. Cảm biến sinh học quang
học được kỳ vọng sẽ trở nên quan trọng nhất trong lĩnh vực chăm
sóc sức khỏe, y sinh và dược phẩm sinh học các ngành [8]. Cùng
với đó là sự ra đời của các cơng cụ thiết bị gắn cảm biến nhằm
mục đích theo dõi sức khỏe. Các công cụ đột phá mới như thiết bị
đeo cổ tay hoặc đeo ngực cho phép theo dõi sinh lý liên tục không
xâm lấn cơ thể [19, 21]. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh
vực y học, y học chính xác đang được nhiều sự quan tâm từ cộng
đồng và các nhà nghiên cứu. Cảm biến sinh học in vivo có thể
nhận ra và phản ứng với các kích thích tế bào cụ thể [23]. Cảm
biến sinh học có tiềm năng rất lớn trong việc chẩn đoán, theo dõi,
quản lý và điều trị nhiều loại bệnh tật, đặc biệt là ung thư. Cảm

biến sinh học điện hóa định vị có thể được sử dụng như một cơng
cụ chẩn đốn để phát hiện các dấu hiệu khối u, ung thư tuyến tiền
liệt và phân tích lâm sàng [2]. Từ đó, cảm biến sinh học cho ta
thấy rất nhiều tiềm năng, rằng chúng có thể ứng dụng vào trong
thực tế đời sống nhiều hơn nữa trong tương lai.

6


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

Tóm lại, cơng nghệ sinh học đã và đang là một phần quan trọng
trong đời sống con người. Thông qua việc thay thế lao động thủ
công, kỹ thuật thông thường, công nghệ sinh học ngày càng cải
thiện đời sống con người. Những kỹ thuật trên là một số ít trong rất
nhiều thành tựu mà cơng nghệ sinh học mang lại. Việc kế thừa và
phát huy những thành tựu này sẽ là tiền đề cho sự phát triển của
con người trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Anh
[1]

S. K. Aghmiuni, S. Siyal, Q. Wang, and Y. Duan, "Assessment
of factors affecting innovation policy in biotechnology,"
Journal of Innovation & Knowledge, vol. 5, no. 3, pp. 180-190,
2020.

[2]

Z. Akbari jonous, J. S. Shayeh, F. Yazdian, A. Yadegari, M.
Hashemi, and M. Omidi, "An electrochemical biosensor for
prostate cancer biomarker detection using graphene oxide–
gold nanostructures," Engineering in Life Sciences, vol. 19,
no. 3, pp. 206-216, 2019.

[3]

R. Barrangou and J. A. Doudna, "Applications of CRISPR
technologies in research and beyond," Nature biotechnology,
vol. 34, no. 9, pp. 933-941, 2016.

[4]

K. Belhaj, A. Chaparro-Garcia, S. Kamoun, and V. Nekrasov,
"Plant genome editing made easy: targeted mutagenesis in
model and crop plants using the CRISPR/Cas system," Plant
methods, vol. 9, no. 1, pp. 1-10, 2013.

[5]

F. S. Collins and S. Gottlieb, "The next phase of human genetherapy oversight," New England Journal of Medicine, vol.
379, no. 15, pp. 1393-1395, 2018.
7


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

[6]

27/04/2021

M. R. Connor, A. F. Cann, and J. C. Liao, "3-Methyl-1-butanol
production in Escherichia coli: random mutagenesis and twophase

fermentation,"

Applied

microbiology

and

biotechnology, vol. 86, no. 4, pp. 1155-1164, 2010.
[7]

T. U. Chae et al., "Metabolic engineering for the production of
dicarboxylic acids and diamines," Metabolic engineering, vol.
58, pp. 2-16, 2020.

[8]

P. Damborský, J. Švitel, and J. Katrlík, "Optical biosensors,"
Essays in biochemistry, vol. 60, no. 1, pp. 91-100, 2016.

[9]

M. Endo, M. Mikami, and S. Toki, "Biallelic gene targeting in
rice," Plant physiology, vol. 170, no. 2, pp. 667-677, 2016.

[10] K. Hua et al., "Perspectives on the application of genomeediting technologies in crop breeding," Molecular plant, vol.
12, no. 8, pp. 1047-1059, 2019.
[11] R. Lassoued, D. M. Macall, H. Hesseln, P. W. Phillips, and S. J.
Smyth, "Benefits of genome-edited crops: expert opinion,"
Transgenic research, vol. 28, no. 2, pp. 247-256, 2019.
[12] J. Lee, D. Bayarsaikhan, G. Bayarsaikhan, J.-S. Kim, E.
Schwarzbach, and B. Lee, "Recent advances in genome
editing of stem cells for drug discovery and therapeutic
application," Pharmacology & therapeutics, vol. 209, p.
107501, 2020.
[13] G. Liu et al., "A nanoparticle-based affinity sensor that
identifies

and

selects

highly

cytokine-secreting

cells,"

Iscience, vol. 20, pp. 137-147, 2019.
[14] L. Liu, J. L. Martínez, Z. Liu, D. Petranovic, and J. Nielsen,
"Balanced globin protein expression and heme biosynthesis
improve production of human hemoglobin in Saccharomyces
cerevisiae," Metabolic engineering, vol. 21, pp. 9-16, 2014.
8

LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

[15] E. J. Morris, "A semi-quantitative approach to GMO riskbenefit analysis," Transgenic research, vol. 20, no. 5, pp.
1055-1071, 2011.
[16] B. Nikhil, J. Pawan, F. Nello, and E. Pedro, "Introduction to
biosensors," Essays in Biochemistry, vol. 60, no. 1, pp. 1-8,
2016.
[17] S. B. Ng et al., "Exome sequencing identifies MLL2 mutations
as a cause of Kabuki syndrome," Nature genetics, vol. 42, no.
9, pp. 790-793, 2010.
[18] I. Otero-Muras and P. Carbonell, "Automated engineering of
synthetic metabolic pathways for efficient association to
reaction rules. biomanufacturing," Metabolic Engineering,
2020.
[19] J. Palix, M. Akselrod, C. Cungi, F. Giuliani, and J. Favrod,
"Changes in heart rate variability recorded in natural
situation with t-shirt integrated sensors and level of observed
behavioral

excitation:

a

pilot

study

of

patients

with

intellectual disabilities and psychiatric disorders," Frontiers in
psychiatry, vol. 8, p. 4, 2017.
[20] M. Palmieri et al., "Two‐point‐NGS analysis of cancer genes in
cell‐free

DNA

of

metastatic

cancer

patients,"

Cancer

medicine, vol. 9, no. 6, pp. 2052-2061, 2020.
[21] R. Paradiso, T. Faetti, and S. Werner, "Wearable monitoring
systems

for

psychological

and

physiological

state

assessment in a naturalistic environment," in 2011 Annual
International Conference of the IEEE Engineering in Medicine
and Biology Society, 2011: IEEE, pp. 2250-2253.

9


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

[22] K. Robison, "Application of second-generation sequencing to
cancer genomics," Briefings in bioinformatics, vol. 11, no. 5,
pp. 524-534, 2010.
[23] S. Shi, E. L. Ang, and H. Zhao, "In vivo biosensors:
mechanisms, development, and applications," Journal of
Industrial Microbiology and Biotechnology, vol. 45, no. 7, pp.
491-516, 2018.
[24] Y. Tashiro, G. M. Rodriguez, and S. Atsumi, "2-Keto acids
based

biosynthesis

chemicals,"

Journal

pathways
of

for

renewable

Industrial

fuels

Microbiology

and
and

Biotechnology, vol. 42, no. 3, pp. 361-373, 2015.
[25] T. Tengs et al., "Characterization of unknown genetic
modifications

using

high

throughput

sequencing

and

computational subtraction," BMC biotechnology, vol. 9, no. 1,
pp. 1-6, 2009.
[26] A. L. Van Eenennaam, "GMOs in animal agriculture: time to
consider both costs and benefits in regulatory evaluations,"
Journal of animal science and biotechnology, vol. 4, no. 1, pp.
1-14, 2013.
[27] M. Vinkšel, K. Writzl, A. Maver, and B. Peterlin, "Improving
diagnostics of rare genetic diseases with NGS approaches,"
Journal of Community Genetics, pp. 1-10, 2021.
[28] J. Xia, Q. Wang, P. Jia, B. Wang, W. Pao, and Z. Zhao, "NGS
catalog: a database of next generation sequencing studies in
humans," Human mutation, vol. 33, no. 6, pp. E2341-E2355,
2012.
[29] G. Zamperin et al., "Sequencing of animal viruses: quality
data assurance for NGS bioinformatics," Virology journal, vol.
16, no. 1, pp. 1-13, 2019.
10


LÊ NGUYỄN ANH TÚ

27/04/2021

[30] Y. Zhang, K. Massel, I. D. Godwin, and C. Gao, "Applications
and potential of genome editing in crop improvement,"

Genome biology, vol. 19, no. 1, pp. 1-11, 2018.

11