Công nghệ sinh học phát triển cho đến ngày nay, đã qua ba giai đoạn chính
Công nghệ sinh học phát triển cho đến ngày nay, đã qua ba giai đoạn chính:
- Công nghệ vi sinh.
- Công nghệ tế bào (nuôi cấy mô và tế bào động-thực vật...).
- Công nghệ sinh học hiện đại, tức công nghệ gen.
Cũng có tác giả gắn quá trình phát triển nêu trên với ba cuộc cách mạng sinh học.
- Cách mạng sinh học lần thứ nhất (đầu thế kỷ 20): sử dụng quá trình lên men để sản xuất các sản phẩm như acetone, glycerine, citric acid, riboflavin...
- Cách mạng sinh học lần thứ hai (sau thế chiến thứ 2): sản xuất kháng sinh, các sản phẩm lên men công nghiệp như glutamic acid, các polysaccharide, trong đó có thành tựu về đột biến, tạo các chủng vi sinh vật cho năng suất và hiệu quả cao, phát triển các quá trình lên men liên tục và phát hiện phương pháp mới về bất động enzyme để sử dụng nhiều lần...
- Cách mạng sinh học lần thứ ba (bắt đầu từ giữa thập niên 1970): với các phát hiện quan trọng về enzyme hạn chế, enzyme gắn, sử dụng plasmid làm vector tạo dòng, đặt nền móng cho một nền công nghệ sinh học hoàn toàn mới đó là công nghệ DNA tái tổ hợp.
Hai giai đoạn đầu, công nghệ vi sinh và công nghệ tế bào, sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào tách biệt, nhưng chưa biến đổi được cấu trúc di truyền của chúng, nên được xem là hai giai đoạn của công nghệ sinh học truyền thống. Phải đến cuộc cách mạng sinh học lần thứ ba như đã nêu trên, thì mới ra đời nền công nghệ sinh học hiện đại, giai đoạn phát triển cao nhất của công nghệ sinh học, mở ra kỷ nguyên mới của sinh học.
Cũng có thể chia lịch sử hình thành và phát triển công nghệ sinh học theo các giai đoạn sau:
1. Giai đoạn thứ nhất
Đã hình thành từ rất lâu trong việc sử dụng các phương pháp lên men vi sinh vật để chế biến và bảo quản thực phẩm, ví dụ: sản xuất pho mát, dấm ăn, làm bánh mì, nước chấm, sản xuất rượu bia… Trong đó, nghề nấu bia có vai trò rất đáng kể. Ngay từ cuối thế kỷ 19, Pasteur đã cho thấy vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của ngành công nghiệp lên men sản xuất dung môi hữu cơ như aceton, ethanol, butanol, isopropanol… vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20.
2. Giai đoạn thứ hai
Nổi bật nhất của quá trình phát triển công nghệ sinh học trong giai đoạn này là sự hình thành nền công nghiệp sản xuất thuốc kháng sinh penicillin, khởi đầu gắn liền với tên tuổi của Fleming, Florey và Chain (1940). Trong thời kỳ này đã xuất hiện một số cải tiến về mặt kỹ thuật và thiết bị lên men vô trùng cho phép tăng đáng kể hiệu suất lên men. Các thí nghiệm xử lý chất thải bằng bùn hoạt tính và công nghệ lên men yếm khí tạo biogas chứa chủ yếu khí methane, CO2 và tạo nguồn phân bón hữu cơ có giá trị cũng đã được tiến hành và hoàn thiện.
Bảng 1.1. Một số hướng phát triển của công nghệ sinh học hiện đại Lĩnh vực
Ứng dụng
Nông nghiệp
Tạo chủng vi sinh vật mới, xây dựng các phương pháp chọn giống cây trồng và vật nuôi mới.
Y tế
Dùng enzyme tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thiết bị phân tích y tế. Sử dụng tế bào vi sinh vật, tế bào động-thực vật trong sản xuất thuốc (ví dụ: steroid) và tổng hợp các loại kháng sinh mới. Sử dụng enzyme trong chữa trị bệnh.
Công nghiệp thực phẩm
Xây dựng và hoàn thiện các phương pháp chế biến và bảo quản thực phẩm mới, sản xuất chất bổ sung vào thực phẩm (vitamin, amino acid...), sử dụng protein đơn bào (SPC) và enzyme trong công nghệ chế biến thực phẩm.
Giám sát môi trường
Hoàn thiện các phương pháp dự đoán và giám sát tình trạng môi trường. Hoàn thiện các phương pháp xử lý chất thải (đặc biệt là chất thải công nghiệp).
Sản xuất hóa chất
Sản xuất các acid hữu cơ (citric acid, itaconic acid, acetic acid...), sử dụng enzyme làm chất tẩy rửa.
Năng lượng
Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án lớn sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu.
3. Giai đoạn thứ ba
Bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ 20, song song với việc hoàn thiện các quy trình công nghệ sinh học truyền thống đã có từ trước, một số hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học đã hình thành và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát minh quan trọng trong ngành sinh học nói chung và sinh học phân tử nói riêng. Đó là việc lần đầu tiên xác định được cấu trúc của protein (insulin), xây dựng mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA (1953). Tiếp theo là việc tổng hợp thành công protein (1963-1965), đặc biệt là việc tổng hợp thành công gen và buộc nó biểu hiện trong tế bào vi sinh vật (1980). Chính những phát minh này đã tạo tiền đề cho sự phát triển nhanh chóng của các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế sau đó trong lĩnh vực công nghệ sinh học hiện đại.
4. Giai đoạn tứ tư
Bắt đầu từ năm 1973, khi những thí nghiệm khởi đầu dẫn đến sự ra đời của kỹ thuật DNA tái tổ hợp được thực hiện và sự xuất hiện insulin-sản phẩm đầu tiên của nó vào năm 1982, cùng với thí nghiệm chuyển gen vào cây trồng cũng thành công vào năm này. Đến nay công nghệ sinh học hiện đại đã có những bước tiến khổng lồ trong các lĩnh vực nông nghiệp (cải thiện giống cây trồng...), y dược (liệu pháp gen, liệu pháp protein, chẩn đoán bệnh...), công nghiệp thực phẩm (cải thiện các chủng vi sinh vật...)... Những thành công này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong Phần B-Các ứng dụng của công nghệ sinh học.
Theo nhập môn công nghệ sinh học của
Nguyễn Hoàng Lộc