Có nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả khác nhau, nhưng tất cả đều thống nhất về khái niệm cơ bản
1. Định nghĩa tổng quát
Có nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả khác nhau, nhưng tất cả đều thống nhất về khái niệm cơ bản sau đây:
Công nghệ sinh học là sự sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp, trong đó nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật, động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ.
Đầu những năm 1980, đã bắt đầu hình thành công nghệ sinh học hiện đại là lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào đã được biến đổi di truyền. Công nghệ sinh học hiện đại ra đời cùng với sự xuất hiện kỹ thuật gen. Cơ sở sinh học được áp dụng ở đây bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, cùng các nguyên lý kỹ thuật máy tính...
Có hai cách định nghĩa công nghệ sinh học một cách tổng quát nhất:
- Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng một bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm của chúng.
- Do Trường Luật Stanford (1995) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm và chức năng của gen đó.
Sự khác biệt rõ rệt nhất của hai định nghĩa trên thuộc về đối tượng tác động của công nghệ sinh học: UNESCO xem cơ quan, bộ phận, tế bào và chức năng riêng rẽ của sinh vật là đối tượng, trong khi đó Trường Luật Stanford lại coi gen là đối tượng tác động của công nghệ.
Từ các định nghĩa trên, có thể phân biệt được hai nhóm công nghệ sinh học là:
1.1. Công nghệ sinh học truyền thống (Traditional Biotechnology)
Bao gồm:
+ Thực phẩm lên men truyền thống (Food of Traditional Fermentations)
+ Công nghệ lên men vi sinh vật (Microbial Fermentation Technology)
+ Sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu vi sinh vật (Production of Microbial Fertilizer and Pesticide)
+ Sản xuất sinh khối giàu protein (Protein-Rich Biomass Production)
+ Nhân giống vô tính bằng nuôi cấy mô và tế bào thực vật (Plant Micropropagation)
+ Thụ tinh nhân tạo (In vitro Fertilization)
1.2. Công nghệ sinh học hiện đại (Modern Biotechnology)
Bao gồm:
+ Nghiên cứu genome (Genomics)
+ Nghiên cứu proteome (Proteomics)
+ Thực vật và động vật chuyển gen (Transgenic Animal and Plant)
+ Động vật nhân bản (Animal Cloning)
+ Chip gen (DNA chip)
+ Liệu pháp tế bào và gen (Gen and Cell Therapy)
+ Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology)
+ Tin sinh học (Bioinformatics)
+ Hoạt chất sinh học (Bioactive Compounds)
+ Protein biệt dược (Therapeutic Protein)
2. Nội dung khoa học của công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học cũng có thể được phân loại theo các kiểu khác nhau. Xét về góc độ các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình công nghệ sinh học, có thể chia thành các nhóm sau:
- Công nghệ sinh học thực vật (Plant Biotechnology)
- Công nghệ sinh học động vật (Animal Biotechnology)
- Công nghệ sinh học vi sinh vật (Microbial Biotechnology)
- Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzyme (Enzyme Biotechnology)
Gần đây, đối với các tác nhân sinh học dưới tế bào còn hình thành khái niệm công nghệ protein (Protein Engineering) và công nghệ gen (Gen Engineering). Công nghệ Protein và công nghệ gen xuyên suốt và trở thành công nghệ chìa khóa nằm trong công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật và công nghệ sinh học vi sinh vật. Nhờ kỹ thuật đọc trình tự gen và kỹ thuật DNA tái tổ hợp, công nghệ gen đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn mang tính quyết định, mở ra những giai đoạn phát triển mới. Đó là nghiên cứu về toàn bộ genome của nhiều sinh vật, trong đó đáng chú ý là việc giải mã genome của con người và của cây lúa. Đó là việc hình thành cả một phương hướng nghiên cứu, ứng dụng và kinh doanh các sinh vật chuyển gen (Gentically Modified Organism-GMO) và các thực phẩm chuyển gen (Gentically Modified Food-GMF). Công nghệ protein có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc sản xuất ra các protein tái tổ hợp (Recombinant Protein) dùng làm dược phẩm điều trị các bệnh hiểm nghèo như: interferon, interleukin, insulin...
Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ của công nghệ sinh học, có thể chia ra các lĩnh vực công nghệ sinh học khác nhau như:
- Công nghệ sinh học nông nghiệp (Biotechnology in Agriculture)
- Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (Biotecnology in Food Processing)
- Công nghệ sinh học y dược (Biotechnology in Medicine-Pharmaceutics)
- Công nghệ sinh học môi trường (Environmental Biotechnology) 4
- Công nghệ sinh học vật liệu (Material Biotechnology)
- Công nghệ sinh học hóa học (Biotechnology in Chemical Production)
- Công nghệ sinh học năng lượng (Biotechnology in Energy Production)...
Một số tác giả cho rằng loài người đã áp dụng công nghệ sinh học từ rất lâu vào các hoạt động sản xuất, ví dụ: công nghệ sản xuất đồ uống (rượu, bia...) hoặc công nghệ sản xuất thực phẩm (men bánh mì, nước mắm, tương, chao...). Do đó, việc định nghĩa và phân loại công nghệ sinh học trong giai đoạn phát triển ban đầu có một ý nghĩa rất quan trọng để có những chính sách đầu tư hợp lý và ưu tiên cho công nghệ sinh học. Dưới đây là các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học hiện nay đang được quan tâm hàng đầu.
3. Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học
3.1. Công nghệ sinh học trong nông nghiệp
Lĩnh vực nông nghiệp tuy không phải là mục tiêu phát triển hàng đầu của công nghệ sinh học ở nhiều nước công nghiệp trên thế giới, nhưng trên thực tế những hoạt động nghiên cứu và phát triển, sản xuất và thương mại hóa ở lĩnh vực này cũng được nhiều tập đoàn lớn. Có thể nêu ba lĩnh vực chính là:
- Giống cây trồng và vật nuôi nhân vô tính và chuyển gen mang những đặc điểm nông-sinh quý giá mà các phương pháp truyền thống không tạo ra được, đồng thời lại được bảo vệ thông qua bản quyền tác giả.
- Các chế phẩm sinh học dùng trong bảo vệ cây trồng vật nuôi, như: vaccine, thuốc trừ sâu bệnh và phân bón vi sinh.
- Công nghệ bảo quản và chế biến nông-hải sản bằng các chế phẩm vi sinh và enzyme. Giá trị nông sản được nâng lên nhiều lần và quy trình công nghệ đi kèm trang thiết bị là một dạng hàng hóa trong kinh doanh chuyển giao công nghệ.
Ngoài ra có thể liệt kê thêm một số lĩnh vực khác:
- CNSH chế biến thực phẩm: Các enzyme (amylase, rennin, β-galactosidase, invertase, gluco-isomerase, pectinase), các chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương vị, tạo màu, bột nở và làm ổn định, các vitamine, các amino acid, các chất chống oxy hóa, các chất bảo quản, các chất hoạt hóa bề mặt...).
- Các loại thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh mới...).
- Các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, các baculovirus, tuyến trùng ký sinh...).
- Các hormone sinh trưởng thực vật (các cytokinin...).
- Các hóa chất chẩn đoán bệnh cho động-thực vật.
3.2. Công nghệ sinh học trong y dược
Có lẽ thành tựu công nghệ sinh học được thể hiện rõ nét nhất là ở lĩnh vực y học. Hiện nay, hầu hết các sản phẩm quan trọng sau đây đều được sản xuất trên cơ sở CNSH, bao gồm các ứng dụng sau:
- Các loại kháng sinh và các chất diệt khuẩn, các loại vitamine và chất bổ dưỡng, các loại amino acid và hỗn hợp của chúng trong dịch truyền, các loại vaccine và các loại hormone chữa bệnh.
- Các bộ kit chuẩn dùng trong chẩn đoán bệnh và chẩn đoán hóa sinh trong y dược.
- Cây trồng và vật nuôi được cấy chuyển những gen sản sinh ra các loại protein trị liệu đang là mục tiêu đầu tư của khá nhiều công ty y dược hàng đầu thế giới hiện nay.
Cụ thể là nghiên cứu và sản xuất các dược phẩm, các kháng thể đơn dòng, interferon, các hormone (hormone sinh trưởng, insulin, erythropooietin, thrombopoietin...), các enzyme (urokinase, heparinase, alcohol dehydrogenase), các protein khác (các kháng nguyên đặc hiệu, albumin, antithrombin, fibronectin...), các kháng sinh, thuốc và vitamine mới, các dược phẩm có bản chất protein, các loại vaccine viêm gan B, HIV, cúm, sốt rét, viêm não, tả và các tác nhân gây bệnh tiêu chảy, các kit chẩn đoán: chẩn đoán sự có mặt HIV, virus viêm gan B trong máu, một số chẩn đoán thai... Điều trị gen: điều trị các gen gây bệnh di truyền.
Hiện nay, các công ty CNSH y dược hàng đầu thế giới đang tập trung vào nghiên cứu tạo ra sản phẩm chống lại các căn bệnh như: HIV/AIDS, các loại bệnh ung thư, đái tháo đường, các bệnh tim mạch, các bệnh truyền nhiễm...
3.3. CNSH công nghiệp và chế biến thực phẩm
CNSH công nghiệp bao gồm các lĩnh vực sản xuất các loại enzyme như amylase, cellulase và protease dùng trong công nghiệp dệt, công nghiệp xà phòng và mỹ phẩm, công nghiệp bánh kẹo, rượu bia và nước giải khát
Sau đây là các loại sản phẩm của CNSH công nghiệp:
- Công nghiệp hóa chất: Các hóa chất thông dụng (ví dụ: acrylamide) đều có thể sản xuất bằng CNSH. Công nghiệp hóa học sẽ có hiệu quả hơn nếu dùng các chất xúc tác sinh học (enzyme), tái sinh và xử lý các dung môi bằng con đường sinh học.
- Quá trình chế biến tinh bột: Dùng các enzyme do CNSH tạo ra để dịch hóa và đường hóa tinh bột thành glucose và chuyển hóa thành fructose.
- Công nghiệp làm sạch: Các chất giặt tẩy hiện đại đuợc bổ sung protease và các enzyme khác làm sạch các vết bẩn protein, tinh bột và chất béo.
- Công nghiệp bột gỗ và giấy: Nhu cầu của thị trường và bảo vệ môi trường ngày càng lớn đối với giấy ít chứa các hợp chất chlorine gây ô nhiễm. Quá trình sản xuất bột giấy hiện nay gây ô nhiễm rất nặng. CNSH đưa ra giải pháp sinh học để sản xuất bột giấy không gây ô nhiễm bằng cách sử dụng các loại nấm phân hủy lignin-cellulose để tạo bột. Các enzyme cũng được dùng nâng cao chất lượng sợi và chất lượng giấy.
- Công nghiệp khai khoáng và phát hiện khoáng sản. Có 2 công nghệ: lọc sinh học/oxy hóa sinh học các kim loại; xử lý ô nhiễm kim loại và tái sinh. Công nghệ lọc kim loại dùng các vi sinh vật có thể thu được các kim loại quí như đồng, kẽm và cobalt. Công nghệ xử lý sinh học ô nhiễm có thể áp dụng đối với các kim loại nặng.
3.4. Công nghệ sinh học môi trường
Tuy là lĩnh vực khá mới nhưng sự phát triển và ứng dụng của CNSH môi trường rất đáng kể. Mọi quá trình xử lý chất thải nếu không khép kín bằng xử lý sinh học thì khó có thể thành công trọn vẹn.
Các hoạt động chính của CNSH môi trường đang được chú trọng là:
- Công nghệ phân hủy sinh học: Dùng các cơ thể sống phân hủy các chất thải độc tạo nên các chất không độc như nước, khí CO2 và các vật liệu khác. Bao gồm, công nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sự sinh trưởng của các vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn trong môi trường, công nghệ bổ sung vi sinh vật vào môi trường để phân hủy chất ô nhiễm, công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại và các chất ô nhiễm khác bằng thực vật và nấm.
- Dự phòng môi trường: Phát triển các thiết bị dò và theo dõi ô nhiễm môi truờng, đặc biệt trong việc dò nước và khí thải công nghiệp trước khi giải phóng ra môi trường
Theo nhập môn công nghệ sinh học của
Nguyễn Hoàng Lộc