Nhân loại trông đợi gì ở Công nghệ sinh học hiện đại

Nói đến công nghệ sinh học (Biotechnology hay Bioengineering) người ta thường phân biệt ra 3 giai đoạn khác nhau: Giai đoạn CNSH truyền thống (sản xuất rượu, bia, giấm, sữa chua, pho-mát, tương, chao, muối dưa, men bánh mỳ…); Giai đoạn CNSH cận đại (lên men sản xuất enzym, axit amin, axit hữu cơ, dung môi hữu cơ, sinh khối đơn bào, chất kháng sinh, vitamin, nuôi trồng nấm ăn, thuốc trừ sâu sinh học…) và giai đoạn CNSH hiện đại (chủ yếu sử dụng kỹ thuật tái tổ hợp AND và chuyển gen).

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 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.

CNSH hiện đại bao gồm CN gen (gene engineering) hay CN di truyền (genetic engineering); CN tế bào (cell engineering); CN enzyme /protein (enzyme/protein engineering); CN lên men (fermentation engineering)…

CN gen/CN di truyền còn gọi là 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 virut 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 vắc xin 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 virut, chọn giống giàu dinh dưỡng, chọn giống đề kháng thuốc trừ cỏ…

CN gen mở ra tiền đồ to lớn trong việc tạo ra các cây trồng chuyển gen (GMC hay GMO): 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 - 0,4%; 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 virut) 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 vacxin virut. 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 di 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 nguồn 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.

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 ta có thể tạo ra khả năng sản sinh một enzyme 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, mỗi 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 (!)