Công nghệ sinh học những cơ hội và thách thức

Công nghệ sinh học
những cơ hội và thách thức
Hơn 6 tỉ người trên hành tinh chúng ta đang sống trong
những năm đầu của thế kỷ XXI. Theo dự báo, 25 năm tới trên
hành tinh giới hạn này, sẽ có thêm 2,3 tỉ người nữa. Có người
đã nói một cách hình tượng rằng, trong thế kỷ XXI dân số thế
giới sẽ tăng với tốc độ mỗi ngày một thành phố New york,
mỗi năm một nước Mexico, và có thể mỗi thập kỷ một nước
Trung hoa.
Việt Nam, theo số liệu tổng điều tra dân số 1/4/1999 có
76,325 triệu người và đang cố gắng để đến giữa thế kỷ 21
dân số Việt Nam vẫn chỉ vào khoảng 120-125 triệu người.
Làm thế nào để có đủ nước sạch, đủ lương thực thực
phẩm, đủ thuốc chữa bệnh, đủ năng lượng để thoả mãn
những nhu cầu sống tối thiểu của toàn nhân loại trên toàn
hành tinh chúng ta ?
Công nghệ Sinh học có thể góp phần đáng kể để giải
quyết vấn đề đã nêu. Vậy Công nghệ Sinh học là gì ?
Danh từ Công nghệ Sinh học lần đầu tiên được một nhà
kinh tế nông nghiệp Hungary Kark Ereky sử dụng năm 1919, để chỉ tất cả các quá trình sản
xuất các sản phẩm bằng cách bổ sung các cơ thể sống (vi sinh vật) vào các nguyên liệu thô.
Với quan niệm trên, Công nghệ Sinh học không phải chỉ là những qui trình hiện đại, mà
bao gồm cả những qui trình đã có từ hàng nghìn năm trước công nguyên (làm bia, rượu, bánh
mì, phomat v.v...). Tuy nhiên thời bấy giờ chỉ nhờ kinh nghiệm thuần tuý, người ta thường gọi
đó là CNSH cổ điển hoặc CNSH truyền thống.
Trong ba thập kỷ qua, nhờ những thành tựu to lớn của Sinh học phân tử (SHPT), Di
truyền học, Hoá sinh học, Vi sinh vật học, Tế bào học, nhân loại đã đạt được những bước tiến
nhảy vọt trong việc hiểu biết cơ chế phân tử của các quá trình sống. Nhờ vậy đã có thể khai
thác hệ thống sống theo một cách đặc biệt với phạm vi và đối tượng mở rộng hơn nhiều, đã tạo
ra CNSH hiện đại, sau đây sẽ được gọi tắt là CNSH. Có nhiều quan niệm, định nghĩa khác nhau
về CNSH, ở đây chúng tôi chỉ nêu một số quan niệm phổ biến:

+ CNSH là công nghệ sản xuất các sản phẩm, các thiết bị và các cơ thể mới bằng cách
khai thác các quá trình sinh học.
+ CNSH là bất kỳ công nghệ nào sử dụng cơ thể sống hoặc các thành phần, các chất của
cơ thể sống để tạo ra hoặc cải biến sản phẩm, thực vật hay động vật, hoặc tạo ra các VSV dùng
cho những ứng dụng đặc biệt.
Mặc dù có nhiều định nghĩa khác nhau, nhưng tựu trung lại có thể nói: CNSH là sự kết
hợp thực dụng của KH và CN, để sử dụng những kiến thức của nhân loại về các hệ thống sống
vào thực tế. Tuy các quan niệm và định nghĩa có khác nhau ít nhiều, nhưng mục tiêu của CNSH
là sử dụng các đối tượng sinh vật, để thu được các sản phẩm có ích thông qua các quá trình
công nghệ.
CNSH làm ra tiền trên nền tảng Sinh học. CNSH gắn liền với thương mại và dịch vụ.
CNSH là tập hợp các ngành khoa học (Sinh học phân tử, Di truyền học, Hoá sinh học, Vi
Gs.TSKH. Phạm Thị Trân Châu
Phó Chủ nhiệm ủy ban Khoa học,
Công nghệ và Môi trường
của Quốc hội khóa X
sinh vật học) và các ngành khoa học và kỹ thuật khác nhằm tạo ra các công nghệ, khai thác ở
qui mô công nghiệp các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật. Sự phát
triển mạnh mẽ của CNSH đã dẫn đến sự ra đời một ngành công nghiệp mới đầy triển vọng là
Công nghiệp CNSH. Phạm vi hoạt động của ngành này rất rộng lớn và có liên quan đến nhiều
lĩnh vực khác nhau: y tế, nông nghiệp, công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hoá học,
bao gồm cả công nghiệp vật liệu mới, thu nhận và chế biến khoáng sản, công nghiệp điện tử,
năng lượng và bảo vệ môi trường. Các sản phẩm CNSH có khả năng cạnh tranh cao trên thị
trường.
Vài ba chục năm, quả thật là một khoảng thời gian quá ngắn, so với quá trình hình thành
và phát triển của một ngành khoa học, nhưng CNSH đã đạt được nhiều kết quả to lớn, mà
trong một bài khó có thể kể hết những thành tựu to lớn của nó, dù chỉ là kể về những thành tựu
của một chuyên ngành khoa học thành viên của CNSH . Vì vậy, chúng tôi chỉ cố gắng nêu một
số ví dụ để minh hoạ cho những hướng lợi ích lớn và những nguy cơ có thể có từ CNSH, đồng
thời nêu lên một số ý kiến khác nhau xung quanh việc sử dụng các cơ thể đã được cải biến di

truyền (GMO) và các sản phẩm của chúng. Đây là một vấn đề nổi cộm mà cả công chúng, cũng
như các nhà quản lý ở nhiều nước đang quan tâm, cả về mặt lợi ích cũng như vấn đề an toàn
sinh học, an toàn thực phẩm.
I. Những lợi ích và cơ hội mới
CNSH hiện đại sử dụng ở qui mô lớn, các kỹ thuật mới của Sinh học phân tử, Di truyền
học, Hoá sinh học, Vi sinh vật học, Tế bào học, nên đã có nhanh chóng tạo ra một lượng lớn
các sinh vật và sản phẩm mới, có những đặc tính quí giá phục vụ y học, nông lâm ngư nghiệp,
công nghiệp, các ngành công nghệ cao, nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, cải thiện điều kiện lao động. Vì vậy giá trị tổng sản phẩm CNSH trên thị trường thế
giới tăng lên nhanh chóng: năm 1998 vào khoảng 16 tỉ đôla Mỹ và theo dự báo thì đến năm
2008 sẽ là 56 tỉ đôla Mỹ. Phần lớn các sản phẩm mới của CNSH có liên quan đến việc điều trị
và chẩn đoán bệnh cho người (hiện có khoảng 80 sản phẩm đã hoặc sắp đưa ra thị trường), rồi
đến các sản phẩm dùng trong nông nghiệp. Sản phẩm CNSH của Mỹ chiếm phần lớn trên thị
trường thế giới, năm 1998 là 12,4 tỉ đôla, chiếm 75%. Theo dự báo (6/1998) tổng giá trị các sản
phẩm CNSH của Mỹ bán trên thị trường thuộc các lĩnh vực khác nhau như sau:
I. Năm
1998 2003 2008
Lĩnh vực
(Triệu USD)
Điều trị bệnh cho người 9120 17900 31100
Chẩn đoán bệnh cho người 2100 3200 4500
Nông nghiệp 520 1500 3800
Các lĩnh vực khác 660 1400 2600
Tổng cộng 12400 24000 42000
Lợi ích to lớn dễ thấy của CNSH là đã tạo được các vi sinh vật có khả năng sinh tổng
hợp các chất (đặc biệt là các protein, enzim
(1)
) vốn chỉ có ở người và động vật. Do đó có thể sản
xuất nhanh chóng với giá thành hạ và có độ an toàn cao một số thuốc đặc trị, một số enzim
dùng trong y tế và công nghiệp.

(1)
Ph n l n enzim l nh ng protein cá kh n ng xúc tác cho các ph n ng chuy n hoá cácầ ớ à ữ ả ă ả ứ ể
ch t trong c th s ng. T nhi u n m nay ng i ta ã có th tách enzim ra kh i c thấ ơ ể ố ừ ề ă ườ đ ể ỏ ơ ể
s ng s d ng chúng l m ch t xúc tác cho nhi u quá trình s n xu t khác nhau, s d ngố để ử ụ à ấ ề ả ấ ử ụ
trong y t . Ngo i các enzim có b n ch t hoá h c l protein, t n m 1981, ng i ta ã phátế à ả ấ ọ à ừ ă ườ đ
hi n c m t s axit ribonucleic (ARN) c ng có ho t tính xúc tác.ệ đượ ộ ố ũ ạ
1. Trong y học
CNSH được ứng dụng chủ yếu trong chẩn đoán, điều trị, điều trị gen và sản xuất vacxin.
Hiệu quả ứng dụng càng cao và càng đa dạng từ sau khi hoàn tất việc giải mã bộ gen người.
Bằng phương pháp so sánh, sàng lọc gen, các trình tự nucleotit trong gen, đã phát hiện
chính xác gốc rễ của nhiều căn bệnh, do đó có phương pháp điều trị thích hợp và cơ bản, hiệu
quả cao. Nhờ hiểu biết bộ gen người và sử dụng công cụ máy tính hiện đại, việc sàng lọc gen
liên quan đến bệnh tật nhanh hơn trước nhiều. Ví dụ việc sàng lọc trình tự gen liên quan đến
bệnh ung thư vú, ở vài chục phụ nữ, trước đây phải thực hiện từ 5÷10 năm, nay đã có công ty
đã có thể thực hiện được trong vòng 3 tháng.
Phương pháp điều trị bằng gen (gene therapy) sử dụng kĩ thuật chuyển gen, đưa gen
“khoẻ mạnh” vào tế bào của người với hi vọng có sửa chữa được các khuyết tật về gen cho
người. Người ta đã biết có khoảng 3000 bệnh có liên quan đến những khuyết tật về gen. Ví dụ
đã xác định được “hội chứng thiếu hụt miễn dịch phối hợp” (SCID) là do thiếu gen tổng hợp
enzim adenozin deaminaz (ADA) xúc tác cho phản ứng chuyển hoá adenin. Lần đầu tiên vào
cuối năm 1991, Andécxơn (Anderson) và Maicơn Blasơ (Micheal Blaese) đã sử dụng phương
pháp chuyển gen điều trị thành công cho bệnh nhân là một bé gái 4 tuổi.
Người ta cũng đã đưa gen mã hoá yếu tố hoại tử ung thư (Tumor neocrosis factor, viết tắt
là TNF) hoặc gen intelơkin (IL-4) vào bệnh nhân với hi vọng điều trị bệnh ung thư. Hiện nay
trên thế giới đã có một số hãng đang phát triển hệ thống điều trị gen, trong đó có 9 công ty đang
nghiên cứu phát triển điều trị gen bệnh ưa chảy máu (hemophylic), là một bệnh chiếm tỉ lệ
không nhỏ ở nam giới (có thể đến 1/10000, hemophylic A).
Tuy nhiên cũng có ý kiến cho rằng phương pháp điều trị gen, có thể ít hiệu quả hoặc có
hại. Lí do được nêu là gen mới đưa vào không sửa chữa được khuyết tật ở một hay một số cặp
bazơ của gen mà là thay thế gen bị khuyết tật, gen mới có thể kích thích hoặc phá huỷ hoạt

động của các gen khác. Để khắc phục vấn đề này người ta đang nghiên cứu cách đưa gen “khoẻ
mạnh” vào như thế nào virut là đối tượng được lựa chọn để mang gen,sử dụng virut để đưa các
bản sao đã được biến đổi vào tế bào người, các thí nghệm ban đầu cho thấy có thể sửa chữa
được gen khuyết tật trong tế bào người.
ứng dụng CNSH trong sản xuất vác xin cũng đưa đến những bước đột phá mới, thay vì sử
dụng vi khuẩn hoặc virut bất hoạt hoặc chết, có thể sử dụng chỉ một hay một nhóm protein của
bề mặt vi khuẩn hay virut như là kháng nguyên. Tách gen mã hoá các protein này, đưa vào tế
bào vi sinh vật tạo các tế bào, vi sinh vật tái tổ hợp mang gen tổng hợp các protein ấy và có thể
sản xuất mộtlượng lớn protein kháng nguyên, bằng công nghệ lên men.
Đã thành công trong việc tạo các vi sinh vật sản xuất một số dược phẩm có bản chất
protein. Ví dụ: insulin để điều trị bệnh tiểu đường
(2)
(bắt đầu sử dụng cho người vào năm 1982);
intelơkin (interleukin - 4) và eritơropoietin (erythropoietin) trong điều trị bệnh ung thư ; interon
(interferon) kháng virút ; chất kháng tripxin (α
1
- antitrypsin) điều trị bệnh tràn khí.... Ngoài α
1
-
antitrypsin, một số protein ức chế proteinaz (PPI) khác đang được thế giới quan tâm để phát
triển thuốc mới, vì các chất này có triển vọng điều trị đặc hiệu nhiều bệnh hiểm nghèo kể cả
ung thư, AIDS.
Một số enzim trước đây được tách từ các mô động vật để điều trị bệnh, hiện nay cũng đã
được sản xuất ở qui mô công nghiệp nhờ các vi sinh vật đã được cải biến gen như: pepxin,
renin, catepxin-D, trombin, elastaz, v.v... .
(2)
B nh ti u ng (T ) l b nh khá ph bi n có th có nhi u bi n ch ng nguy hi mệ ể đườ Đ à ệ ổ ế ể ề ế ứ ể
d n n t vong. Trên th gi i c tính có kho ng h n 300 tri u ng i b T , có s li uẫ đế ử ế ớ ướ ả ơ ệ ườ ị Đ ố ệ
còn nêu con s l 2-4%. Theo c tính, s ng i b T M n 5-10% dân s ; ố à ướ ố ườ ị Đ ở ỹ đế ố ở
Canada v các n c Châu Âu v o kho ng 2-5% ; các n c Châu Phi, n , Indonesia t là ướ à ả ướ ấ Độ ỉ ệ

n y l 1-2%. Vi t Nam ch a có s li u i u tra c n c nh ng khu v c H N i cà à ở ệ ư ố ệ đ ề ả ướ ư ở ự à ộ ướ
kho ng 0,5-1,4% ; th nh ph H Chí Minh có cao h n, v o kho ng 2,5% dân s .ả ở à ố ồ ơ à ả ố
Sử dụng các vi sinh vật đã được cải biến di truyền, để sản xuất các dược phẩm sinh học
giúp ta hoàn toàn chủ động về nguồn nguyên liệu để đáp ứng được yêu cầu về sản lượng và qui
mô sản xuất. Vì vậy CNSH mở ra những triển vọng to lớn, mới mẽ đối với ngành công nghệ
dược phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các thuốc điều trị nhiều bệnh khác nhau, kể cả
bệnh cúm, ung thư và có thể hi vọng chữa cả bệnh AIDS. Theo dự báo, đến năm 2002 doanh số
CNSH (tính bằng đôla Mỹ) về các thuốc điều trị bệnh ung thư vào khoảng 3,6 tỉ USD; đến năm
2007 sẽ là 9,935 tỉ USD; còn đối với bệnh AIDS, dự báo đến năm 2002 chỉ đạt 120 triệu USD
và đến năm 2007 sẽ đạt 780 triệu USD.
Hình về protein từ hạt gấc

Trong việc vận dụng các thành tựu quan trọng của các khoa học sinh học, y học và các kĩ
thuật công nghệ sinh học, đặc biệt là kĩ thuật nuôi cấy mô, đến nay người ta đã thử nghiệm
thành công và chuẩn bị lần lượt đưa vào sản xuất, ở quy mô công nghiệp, sản xuất da người,
mô sụn người và đang nghiên cứu sản xuất các mô, cơ quan khác của người, để thay thế các
mô, cơ quan đã bị lão hoá, bị bệnh và làm trẻ hoá con người. Trong các mô thì da và sụn là
những sản phẩm đi trước, do có nhiều thuận lợi hơn về mặt “kĩ thuật mô” và do nhu cầu lớn
trên thị trường. Sản xuất được da, có ý nghĩa quan trọng trong điều trị bỏng, sẽ khỏi phải “bóc
da” ở phần cơ thể lành của chính bệnh nhân, để ghép vào chỗ bỏng; nhu cầu thay thế sụn cũng
rất lớn, hàng năm ở Mỹ có khoảng 628.000 ca phẫu thuật sụn. Một thuận lợi lớn nữa, là trong
các thí nghiệm cấy sụn đã tiến hành, chưa có ca nào bị cơ thể “chối bỏ”. Tuy nhiên, việc sản
xuất các mô, cơ quan còn phải giải quyết một vấn đề lớn liên quan đến tính miễn dịch của cơ
thể, là làm sao để cơ thể bệnh nhân có thể tiếp nhận được mô cơ quan “lạ” mới đưa vào, mà
không có phản ứng loại bỏ chúng.
Vấn đề khác là giá thành sản xuất hiện còn quá cao, vào khoảng 350 đôla Mỹ cho một
miếng da kích thước 5x5 cm, nên sẽ chưa phải là cơ hội cho nhiều người.
Tuy nhiên, việc bắt đầu có công nghệ này, sẽ đem lại những kết quả kỳ diệu, phục vụ kịp
thời cho một xã hội đang “lão hoá” với nhiều bệnh tật; phải chăng cũng là những cơ hội mới
để tiếp tục phát triển việc cấy ghép nội tạng đã được bắt đầu và thành công ở nước ta?

a/ Mô hình cấu trúc không gian của một
protein (MCoTI-II) tách từ hạt gấc Việt Nam,
có triển vọng ứng dụng trong y học và nông
nghiệp (Biochemistry 2000,
Vol 39: 5722-5730)
b/ Mô hình cấu trúc không gian của một
protein (MCoTI-II) tách từ hạt gấc Việt Nam,
có triển vọng ứng dụng trong y học và nông
nghiệp (Biochemistry 2001,
Vol 40: 7973-7983)
2. Trong công nghiệp
Sử dụng các kỹ thuật CNSH để sản xuất hàng loạt các chất vốn có trong thực phẩm tự
nhiên hoặc cải biến chúng (tinh bột không có amiloz, chất béo, nhiều axít béo không no v.v..)
theo hướng hấp dẫn hơn về mầu sắc, hương vị và đặc biệt là phù hợp với quan điểm dinh
dưỡng hiện đại cho từng đối tượng. CNSH có thể tạo các nguồn protein mới, thức ăn mới. Ví
dụ: sản xuất protein từ các tảo đơn bào và đặc biệt gần đây nhất đã sản xuất “thịt mới” không
phải từ động vật, mà bằng cách sử dụng protein của một loại nấm nhỏ (fungi) Fusarium
graminearum (lên men nấm này, tách protein của chúng) và chế biến thành sản phẩm trông
giống như thịt.
CNSH cũng đã sản xuất được nhiều enzim dùng trong các ngành công nghiệp khác nhau,
như công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghiệp da, công nghiệp dệt, công
nghiệp mỹ phẩm v.v.. . Các enzim này thường có những đặc tính mới, quí như độ bền cao (chịu
được nhiệt độ cao, chịu được môi trường kiềm, axít mạnh v.v..), giá thành thấp hơn khi tách
enzim từ mô động vật hoặc thực vật. Do đó có khả năng cạnh tranh lớn trên thị trường, mở rộng
phạm vi sử dụng và nâng cao hiệu quả ứng dụng enzim trong thực tế.
Đến nay có khoảng hơn 10 enzim được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt quan
trọng là các enzim thuộc nhóm proteinaz (phân giải protein), glucosidaz (phân giải tinh bột và
các xacarit khác) và lipaz (phân giải lipit như dầu, mỡ ăn). Các proteinaz và lipaz chịu được
môi trường kiềm có nhu cầu lớn vì được dùng trong công nghiệp sản xuất bột giặt và các chất
tẩy rửa khác (làm sạch nhanh các vết bẩn máu mủ, dầu mỡ v.v..). Do đó proteinaz chiếm thị

phần lớn trong các enzim bán trên thị trường. Glucosidaz (ví dụ các loại amilaz) dùng trong
công nghiệp sản xuất rượu, bia, các loại xirô khác và một số còn được dùng trong công nghiệp
dệt để tẩy hồ vải.
Mấy năm nay, người ta cũng sử dụng enzim để tạo ra các điện cực sinh học
(Bioelectrode), các enzim có độ bền cao sẽ được ứng dụng thuận lợi trong lĩnh vực này.
3. Trong nông nghiệp
CNSH tạo những bước đột phá ở nhiều khâu trong quá trình sản xuất: tạo giống mới có
những đặc tính quí, nhân giống nhanh, sản xuất phân bón sinh học, cải tạo đất, nước, sản xuất
các chế phẩm sinh học bảo vệ cây trồng, vật nuôi, bảo quản và chế biến nông sản, khai thác hợp
lý với hiệu quả cao các phế phụ liệu nông lâm ngư nghiệp v.v.. Dưới đây chỉ nêu một số ví dụ
về việc tạo giống mới và nhân nhanh giống cây.
CNSH đã cải biến di truyền một số cây trồng, vật nuôi có được các tính trạng mong muốn
và có thể di truyền các đặc tính mới này cho các thế hệ tiếp theo. Ví dụ các cây trồng có tính
chống chịu cao với các điều kiện môi trường bất lợi (hạn, lạnh, muối v.v..), có tính kháng sâu,
kháng thuốc diệt cỏ ; có sản lượng và chất lượng cao. Vì vậy diện tích trồng các cây đã được
cải biến gien (GM) ngày càng tăng nhanh (tính bằng triệu hecta): năm 1998 là 27,8 ; 1999 là
39,9 ; 2000 là 44,2 và năm 2001 đạt 52,6 triệu ha (theo Crop Biotech Net, 10/1/2002), tăng hơn
30 lần so với năm 1996. Phần lớn diện tích trồng cây GM thuộc các nước công nghiệp như Mỹ,
Canada: năm 1997 chiếm 86%, năm 2000 chiếm 76%, trong khi ở các nước đang phát triển chỉ
đạt 14% (1997) và 24% (2000) tổng diện tích trồng cây GM trên toàn cầu.
Theo dự báo của Ngân hàng Thế giới (WB), sử dụng công nghệ chuyển gien cho cây lúa
mì và lúa có thể làm tăng sản lượng lúa của Châu á lên 10-25% trong thập kỷ tới.
Diện tích trồng các cây GM có tính kháng cao, với các yếu tố gây hại tính theo % tổng
diện tích trồng các cây GM năm 2000 như sau (Clive James. Crop Biotech Brief Vol.1(2),
2001) đậu tương kháng thuốc diệt cỏ là 58% ; ngô (có gen Bt) kháng côn trùng 15%. Ngoài ra,
cũng đã tạo được các giống ngô, bông vừa kháng côn trùng (có gen Bt) vừa kháng thuốc diệt
cỏ, nhưng diện tích trồng cả 2 loại cây này mới chiếm 3%.
Song song với việc chuyển gen Bt vào cây, người ta cũng đã tạo các vi sinh vật tái tổ hợp
mang gen Bt, hoặc gen mã hoá các protein khác (PPI, protein ức chế amilaz hay protein bất