Công nghệ sinh học là gì? Lịch sử phát triển và ứng dụng của công nghệ sinh học

Công nghệ sinh học là gì?

Công nghệ sinh học (biotechnology) là việc sử dụng các hệ thống sinh học, sinh vật sống, hoặc các dẫn xuất của chúng để tạo ra hoặc cải biến sản phẩm cho các ứng dụng cụ thể. Theo định nghĩa của Công ước về Đa dạng Sinh học (Convention on Biological Diversity) của Liên Hợp Quốc, công nghệ sinh học là “bất kỳ ứng dụng công nghệ nào sử dụng hệ thống sinh học, sinh vật sống, hoặc các dẫn xuất của chúng, để tạo ra hoặc cải biến sản phẩm hoặc quy trình cho mục đích sử dụng cụ thể”.

Định nghĩa này có vẻ kỹ thuật, nhưng về bản chất, công nghệ sinh học là nghệ thuật khai thác các quá trình sinh học để giải quyết vấn đề và tạo ra giá trị. Giáo sư James Watson, đồng phát hiện cấu trúc DNA, đã từng nói rằng “công nghệ sinh học là cầu nối giữa hiểu biết khoa học cơ bản về sự sống và khả năng cải thiện cuộc sống con người.

Công nghệ sinh học không phải là một lĩnh vực đơn lẻ mà là sự hội tụ của nhiều ngành khoa học – sinh học phân tử, di truyền học, hóa sinh, vi sinh vật học, kỹ thuật hóa học, và thông tin học. Đây là một trong những lĩnh vực đa ngành nhất của khoa học hiện đại, đòi hỏi sự cộng tác giữa các nhà sinh học, hóa học, kỹ sư, và thậm chí cả các chuyên gia công nghệ thông tin.

Có hai cách phân loại công nghệ sinh học phổ biến. Cách thứ nhất là theo màu sắc: công nghệ sinh học đỏ (y học và dược phẩm), xanh lá (nông nghiệp và thực phẩm), trắng (công nghiệp), xanh dương (biển), và nâu (môi trường và sa mạc hóa). Cách thứ hai là theo thời đại: công nghệ sinh học truyền thống (lên men, chọn giống) và công nghệ sinh học hiện đại (kỹ thuật gen, công nghệ tế bào).

Lịch sử phát triển: từ lên men cổ đại đến kỹ thuật gen

Lịch sử công nghệ sinh học có thể được chia thành ba giai đoạn chính, mỗi giai đoạn đánh dấu một bước tiến quan trọng trong khả năng của con người thao túng sinh vật sống.

Giai đoạn đầu tiên – công nghệ sinh học cổ điển – bắt đầu từ hàng nghìn năm trước khi thuật ngữ “công nghệ sinh học” được đặt ra. Khoảng 6000 năm trước Công nguyên, người Sumer và Babylon đã sử dụng men để lên men bia và rượu vang. Người Ai Cập cổ đại làm bánh mì men từ khoảng 4000 năm trước Công nguyên. Người Trung Quốc đã sản xuất phô mai và các sản phẩm sữa lên men từ 2000 năm trước Công nguyên.

Những người tiên phong này không hiểu cơ chế khoa học đằng sau các quá trình họ sử dụng – họ không biết về nấm men hay vi khuẩn – nhưng họ đã học cách khai thác chúng một cách có hiệu quả. Tương tự, nông dân đã thực hành chọn giống (selective breeding) hàng nghìn năm, dần dần biến đổi cây trồng và vật nuôi hoang dã thành các giống thuần hóa phục vụ nhu cầu con người. Chó, ngựa, bò, lúa mì, ngô – tất cả đều là sản phẩm của công nghệ sinh học cổ điển này.

Giai đoạn thứ hai bắt đầu vào thế kỷ 19 khi khoa học bắt đầu hiểu được cơ sở khoa học của các quá trình sinh học. Louis Pasteur, trong nghiên cứu đột phá của mình vào những năm 1850-1860, đã chứng minh rằng vi sinh vật gây ra quá trình lên men – một phát hiện đã đặt nền móng cho vi sinh vật học hiện đại. Gregor Mendel, một tu sĩ Áo, đã phát hiện ra các quy luật di truyền cơ bản qua thí nghiệm với cây đậu Hà Lan vào những năm 1860, mặc dù công trình của ông chỉ được công nhận rộng rãi vào đầu thế kỷ 20.

Tiến sĩ René Dubos, một vi sinh vật học gia người Pháp-Mỹ, đã viết rằng “công trình của Pasteur đã biến công nghệ sinh học từ một nghệ thuật mơ hồ thành một khoa học có thể dự đoán được”. Thật vậy, hiểu biết về vi sinh vật đã dẫn đến nhiều ứng dụng mới: sản xuất kháng sinh (penicillin được Alexander Fleming phát hiện năm 1928), sản xuất vitamin công nghiệp, và xử lý nước thải sinh học.

Giai đoạn thứ ba – công nghệ sinh học hiện đại – bắt đầu vào những năm 1970 với sự ra đời của kỹ thuật DNA tái tổ hợp. Năm 1973, Stanley Cohen và Herbert Boyer đã thực hiện thí nghiệm đột phá: cắt một đoạn DNA từ một sinh vật và chèn nó vào sinh vật khác, tạo ra sinh vật biến đổi gen (GMO) đầu tiên. Đây là lần đầu tiên con người có thể chuyển gen một cách chính xác giữa các loài khác nhau, vượt qua những rào cản mà chọn giống truyền thống không thể vượt qua.

Giáo sư Paul Berg, người đoạt giải Nobel Hóa học năm 1980 cho công trình tiên phong về DNA tái tổ hợp, đã nhận định rằng “khả năng thao túng DNA đã mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới trong sinh học, cho phép chúng ta đặt những câu hỏi và thực hiện những thí nghiệm mà trước đây không thể tưởng tượng được”.

Các mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ sinh học

Một số mốc quan trọng đã định hình công nghệ sinh học hiện đại. Năm 1978, Genentech – công ty công nghệ sinh học đầu tiên – đã sản xuất thành công insulin người bằng vi khuẩn biến đổi gen. Đây là lần đầu tiên một protein người được sản xuất trong vi sinh vật, mở đường cho ngành công nghiệp dược phẩm sinh học trị giá hàng tỷ đô la ngày nay.

Năm 1982, FDA (Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ) phê duyệt insulin tái tổ hợp đầu tiên cho điều trị tiểu đường – đánh dấu sự ra đời của kỷ nguyên thuốc sinh học. Trước đó, insulin được chiết xuất từ tụy của lợn và bò, một quá trình tốn kém và đôi khi gây phản ứng dị ứng. Insulin tái tổ hợp giống hệt insulin người và có thể được sản xuất với số lượng lớn.

Năm 1996, cừu Dolly được sinh ra – động vật có vú đầu tiên được nhân bản từ tế bào trưởng thành. Mặc dù gây tranh cãi, thành công này chứng minh rằng ngay cả các tế bào đã biệt hóa cũng chứa đủ thông tin di truyền để tạo ra một sinh vật hoàn chỉnh. Ian Wilmut, nhà khoa học dẫn đầu dự án Dolly, đã viết rằng “Dolly chứng minh rằng sự phát triển không phải là con đường một chiều – với kỹ thuật phù hợp, chúng ta có thể đảo ngược đồng hồ phát triển”.

Năm 2003, Dự án Bộ gen Người (Human Genome Project) hoàn thành việc giải mã toàn bộ bộ gen người – khoảng 3 tỷ cặp base DNA mã hóa cho khoảng 20,000-25,000 gen. Dự án kéo dài 13 năm và tiêu tốn gần 3 tỷ đô la, nhưng đã cung cấp bản đồ chi tiết về di truyền người, mở ra kỷ nguyên của y học cá nhân hóa. Francis Collins, giám đốc dự án, đã gọi nó là “sách hướng dẫn sử dụng của con người”.

Năm 2012, Jennifer Doudna và Emmanuelle Charpentier công bố công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 – một công cụ cách mạng cho phép chỉnh sửa DNA với độ chính xác, tốc độ, và chi phí chưa từng có. CRISPR đã dân chủ hóa kỹ thuật gen, biến nó từ một kỹ thuật phức tạp chỉ dành cho các phòng thí nghiệm tiên tiến thành một công cụ có thể tiếp cận được cho hàng nghìn phòng thí nghiệm trên thế giới. Hai nhà khoa học này đã đoạt giải Nobel Hóa học năm 2020 cho phát minh này.

Ứng dụng của công nghệ sinh học trong y học

Y học là lĩnh vực mà công nghệ sinh học có tác động sâu sắc và rõ ràng nhất. Thuốc sinh học (biologics) – các loại thuốc được sản xuất từ hoặc bằng sinh vật sống – đã cách mạng hóa điều trị nhiều bệnh. Kháng thể đơn dòng, được sản xuất bằng công nghệ sinh học, hiện là phương pháp điều trị chuẩn cho nhiều bệnh ung thư và bệnh tự miễn.

Liệu pháp gen – việc đưa gen chức năng vào tế bào bệnh nhân để thay thế gen bị lỗi – đã chuyển từ lý thuyết sang thực tế. Năm 2017, FDA phê duyệt Kymriah, liệu pháp tế bào CAR-T đầu tiên để điều trị một số loại ung thư máu. Liệu pháp này lấy tế bào T của bệnh nhân, biến đổi gen chúng để nhận diện và tấn công tế bào ung thư, sau đó trả lại cho bệnh nhân. Tiến sĩ Carl June từ Đại học Pennsylvania, một trong những người tiên phong trong liệu pháp CAR-T, đã mô tả nó như “biến hệ miễn dịch của bệnh nhân thành một loại thuốc sống”.

Công nghệ sinh học cũng đã cách mạng hóa chẩn đoán. Xét nghiệm PCR (Polymerase Chain Reaction), phát minh bởi Kary Mullis năm 1983 (đoạt giải Nobel năm 1993), cho phép nhân bản một đoạn DNA cụ thể hàng triệu lần, giúp phát hiện các bệnh nhiễm trùng, ung thư, và bệnh di truyền với độ nhạy cực cao. Trong đại dịch COVID-19, xét nghiệm PCR đã trở thành công cụ chẩn đoán chính trên toàn thế giới.

Y học tái tạo – việc tạo ra mô và cơ quan mới – là một frontier mới của công nghệ sinh học. Các nhà khoa học đã thành công trong việc nuôi cấy da, sụn, và thậm chí cả các cơ quan đơn giản như bàng quang. Kỹ thuật in 3D sinh học (bioprinting) hứa hẹn có thể in ra các mô và cơ quan phức tạp trong tương lai.

Ứng dụng trong nông nghiệp và an ninh lương thực

Công nghệ sinh học nông nghiệp đã giúp tăng năng suất cây trồng, giảm sử dụng thuốc trừ sâu, và tạo ra các giống cây chịu hạn, chịu mặn, giàu dinh dưỡng. Cây trồng biến đổi gen (GMO) hiện được trồng trên hơn 190 triệu hecta ở 29 quốc gia, chủ yếu là đậu nành, ngô, bông, và cải dầu.

Cây trồng Bt (Bacillus thuringiensis) chứa gen từ vi khuẩn đất Bt, sản xuất protein độc với một số loài côn trùng gây hại nhưng an toàn với con người và động vật khác. Điều này đã giảm đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học. Theo nghiên cứu của Giáo sư Graham Brookes và Peter Barfoot, “cây trồng GM đã giảm việc sử dụng thuốc trừ sâu toàn cầu khoảng 8.6% từ 1996 đến 2018, tương đương với giảm 776 triệu kg thuốc trừ sâu”.

Gạo vàng (Golden Rice), được phát triển bởi các nhà khoa học Ingo Potrykus và Peter Beyer, là một ví dụ điển hình về công nghệ sinh học nhằm giải quyết vấn đề sức khỏe cộng đồng. Gạo vàng được biến đổi gen để sản xuất beta-carotene (tiền chất của vitamin A), giải quyết vấn đề thiếu vitamin A – nguyên nhân gây mù và tử vong cho hàng triệu trẻ em ở các nước đang phát triển mỗi năm.

Công nghệ sinh học cũng được sử dụng để phát triển vắc-xin cho động vật, cải thiện giống vật nuôi, và thậm chí tạo ra thịt nuôi cấy trong phòng thí nghiệm (cultured meat) – có thể cung cấp protein mà không cần chăn nuôi động vật, giảm tác động môi trường.

Ứng dụng trong công nghiệp và môi trường

Công nghệ sinh học công nghiệp (công nghệ sinh học trắng) sử dụng enzyme và vi sinh vật để sản xuất hóa chất, nhiên liệu sinh học, vật liệu, và dược phẩm. Enzyme công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, dệt may, thực phẩm, và chất tẩy rửa. Nhiên liệu sinh học như ethanol và biodiesel được sản xuất từ sinh khối thông qua quá trình lên men.

Công nghệ sinh học môi trường sử dụng sinh vật để làm sạch ô nhiễm – một quá trình gọi là sinh phục hồi (bioremediation). Vi khuẩn có thể phân hủy dầu mỏ, làm sạch kim loại nặng, và xử lý chất thải nguy hại. Sau thảm họa tràn dầu Deepwater Horizon năm 2010, vi khuẩn ăn dầu tự nhiên đã đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy dầu tràn.

Một ứng dụng thú vị khác là sản xuất nhựa sinh học từ vi sinh vật thay vì từ dầu mỏ. Các loại nhựa này có thể phân hủy sinh học, giảm ô nhiễm nhựa – một trong những vấn đề môi trường cấp bách nhất hiện nay.

Công nghệ sinh học đã trải qua một hành trình dài từ những ứng dụng đơn giản như lên men bia ngàn năm trước cho đến các công nghệ tiên tiến như chỉnh sửa gen CRISPR ngày nay. Từ y học cho đến nông nghiệp, từ công nghiệp cho đến bảo vệ môi trường, công nghệ sinh học đã và đang định hình lại cách chúng ta sống, làm việc, và tương tác với thế giới sinh học xung quanh. Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn về tại sao công nghệ sinh học lại quan trọng đến vậy – không chỉ về mặt khoa học và kinh tế mà còn về các tác động xã hội, đạo đức, và môi trường của nó.