TOP 10 ĐỔI MỚI CÔNG NGHỆ SINH HỌC HÀNG ĐẦU NĂM 2023

Công nghệ sinh học vẫn đang là lĩnh vực phát triển mạnh do các hoạt động nghiên cứu và phát triển ngày càng tăng. Với các đa dạng ứng dụng như cải tiến các giải pháp y tế, giúp giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch và khí thải, cung cấp các loại cây nông nghiệp mới, cải tiến và giúp tăng cường an ninh lương thực cho dân số toàn cầu đang tăng lên, công nghệ sinh học đã trở thành trung tâm phát triển của khoa học và công nghệ và chính trị. Chính vị vậy, các quốc gia trên thế giới, nhất là các nước có nền khoa học phát triển đều đang tiếp tục đầu tư và phát triển công nghệ sinh học trong nhiều lĩnh vực khác nhau hơn nữa. Đầu năm nay, nhà xuất bản In-part đã tổng hợp và liệt kê những đổi mới về công nghệ sinh học hàng đầu trong năm 2022, đây là những nghiên cứu được đánh giá cao nhất từ các chuyên gia R&D từ các tập đoàn như JOHNSON&JOHNSON, ROCHE, GSK, SYNGENTA, BAYER.

10. Cây biến đổi gen chống lại áp lực từ môi trường

Lớp biểu bì rễ cây có nhiều lông rễ dài để tăng diện tích bề mặt hấp thụ nước và chất dinh dưỡng. Phosphate là một chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển và quang hợp của cây. Tuy nhiên, nồng độ phosphate thấp trong đất làm cho việc hấp thu trở nên khó khăn và có thể gây ra căng thẳng dinh dưỡng ở cây trồng.

Các nhà nghiên cứu công nghệ sinh học tại Đại học Pennsylvania đã phát hiện ra rằng sự biểu hiện quá mức của gen GRP8 sẽ thúc đẩy sản xuất rễ lông và từ đó làm tăng diện tích bề mặt để hấp thụ nước và chất dinh dưỡng. Sự biểu hiện quá mức của protein liên kết RNA giàu glycine cũng đã được tìm thấy để cải thiện khả năng chịu đựng của thực vật đối với tình trạng thiếu phosphate, tăng cường sức đối chọi với các căng thẳng môi trường và đồng thời giảm nhu cầu phân bón của cây.

9. Sản xuất protein không qua tế bào

Tổng hợp protein không qua tế bào (Cell-free protein synthesis - CFPS) là công nghệ sản xuất protein bằng cách sử dụng các quá trình phiên mã và dịch mã sinh học mà không cần tế bào sống. Thay vào đó, phương pháp này sử dụng lysate chứa tất cả các đại phân tử cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp sinh học. Tuy nhiên, việc chuẩn bị lysate khá tốn thời gian và chi phí, và do đó cần có các phương pháp cải tiến CFPS.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Úc đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất các cấu trúc giống như tế bào (eCells) dựa trên lysate của E. coli để sử dụng trong CFPS. Bước đột phá công nghệ sinh học này cho phép sản xuất eCells hiệu quả và tiết kiệm chi phí, từ đó có thể được sử dụng để tổng hợp các sản phẩm sinh học có giá trị thương mại cao và phù hợp với công nghiệp.

8. Hormone sinh sản từ bò, cho bò

Hormone kích thích nang trứng (Follicle-stimulating hormone - FSH) được sử dụng rộng rãi để hỗ trợ sinh sản trong chăn nuôi gia súc. Tuy nhiên, phần lớn FSH được sản xuất với nguồn gốc từ lợn. Điều này đi kèm với những rủi ro đáng kể khi triển khai ở gia súc, đặc biệt là lây truyền bệnh giữa các loài động vật và kích thích các phản ứng miễn dịch không mong muốn.

Để chống lại sự nguy hiểm của việc sử dụng FSH có nguồn gốc từ lợn ở gia súc, một nhóm các nhà công nghệ sinh học ở Nam Mỹ đại diện cho Hub APTA đã tạo ra một FSH tái tổ hợp từ bò, giúp tăng tỷ lệ rụng trứng thành công ở bò với rủi ro thấp, kéo dài thời gian hoạt động sinh học và cải thiện sự ổn định trong máu.

7. Một chủng E. coli mới để tổng hợp nhựa phân hủy sinh học

Khi chất thải nhựa toàn cầu đã tăng hơn gấp đôi trong 20 năm qua, nhựa phân hủy sinh học đang ngày càng được tìm kiếm. Một loại nhựa phân hủy sinh học đầy hứa hẹn là polyhydroxyalkanoates (PHA), được sản xuất bởi ngành công nghệ sinh học thông qua quá trình lên men vi sinh vật.

Với các monomer PHA này được sản xuất bởi vi khuẩn, thành phần cuối cùng của chúng có thể khó kiểm soát một cách thống nhất ảnh hưởng đến các tính chất vật lý tổng thể của vật liệu. Tuy nhiên, giờ đây, các nhà khoa học của Đại học New York đã phát triển một chủng E. coli mới tổng hợp copolymer PHA với sự kết hợp của các monome thích hợp, do đó cho phép các tính chất vật lý được điều chỉnh và tinh chỉnh cho từng ứng dụng.

6. Chất hoạt động bề mặt có khả năng phân hủy sinh học

Việc sử dụng chất hoạt động bề mặt trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm và y sinh học đã trở nên phổ biến do tính linh hoạt của chúng trong một loạt các ứng dụng như nhũ hóa, tẩy rửa và tạo bọt. Tính linh hoạt này đã khiến chất hoạt động bề mặt trở thành một trong những hóa chất xử lý được sử dụng nhiều nhất được biết đến cho đến nay. Tuy nhiên, các chất hoạt động bề mặt tổng hợp gây ra rủi ro ô nhiễm môi trường do khó bị phân hủy, dẫn đến các yêu cầu về chất hoạt động bề mặt sinh học thân thiện với môi trường.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Western Cape đã tìm cách giải quyết các vấn đề môi trường này bằng cách phát triển các giải pháp công nghệ sinh học thay thế dưới dạng hai hợp chất đã được cấp bằng sáng chế. Các hợp chất này cho hiệu suất tương đương với các chất tổng hợp công nghiệp tương tự, đồng thời có khả năng phân hủy sinh học. Sự cải tiến này sẽ cung cấp các lựa chọn chất hoạt động bề mặt thay thế bền vững và an toàn hơn cho môi trường, đồng thời mở ra cánh cửa để phát triển nhiều lựa chọn thay thế hơn nữa.

5. Phương pháp mới để kiểm soát biểu hiện gen trong công nghệ sinh học nông nghiệp

Dân số ngày càng tăng và khí hậu toàn cầu luôn thay đổi đã mở ra cánh cửa cho vô số thách thức ảnh hưởng đến nguồn thực phẩm trên quy mô toàn cầu. Như vậy, ngành công nghiệp công nghệ sinh học đã đẩy nhanh nhu cầu tạo ra các công nghệ nhanh hơn và chính xác hơn để thực sự thúc đẩy và tạo ra những tác động tích cực đến các nguồn thực phẩm toàn cầu. Một hạn chế đối với sự phát triển của các nguồn thực phẩm mới này là việc thường xuyên sử dụng các chất kích thích nội sinh trong quá trình biểu hiện gen thực vật, việc sử dụng làm cho việc kiểm soát và tinh chỉnh biểu hiện gen nói trên trở nên khó khăn hơn.

Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã đưa ra một phương pháp tổng hợp ba điểm cho các chất điều chỉnh phiên mã bằng cách sử dụng các thành phần của nấm men và các loài thực vật. Việc sử dụng các thành phần này cho phép xây dựng một thư viện đa dạng các bộ điều chỉnh phiên mã để kiểm soát phiên mã nhân chuẩn. Công nghệ này sẽ cung cấp cho ngành công nghiệp một công nghệ hiệu quả để phối hợp sự biểu hiện của nhiều gen theo cách có mục tiêu, đáp ứng với từng môi trường cụ thể, mở đường cho sự phát triển của các sản phẩm thực phẩm mới và dễ tiếp cận trên quy mô toàn cầu.

4. Tổng hợp enzyme tái chế nhựa bằng vi sinh vật

Tác động lên môi trường của rác thải nhựa đã được chú ý đến từ lâu. Nhưng ngay cả như vậy, chỉ một phần nhỏ của nó vẫn thực sự được tái chế. Do đó, đây vẫn là một thách thức cấp bách đối với ngành công nghệ sinh học. Cụ thể, Polyethylene (PE), chiếm khoảng 40% tổng sản lượng nhựa, bao gồm tất cả các polyme có nguồn gốc dầu mỏ, ít hơn 20% được tái chế.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Macquarie đã phát triển một phương pháp mới ứng dụng vi sinh vật để tổng hợp các enzyme phân hủy PE có nguồn gốc từ sâu bướm, nấm và vi khuẩn. Kết quả là đã có thể phân hủy hoặc tái chế PE thành các sản phẩm khả thi về mặt thương mại (như nhiên liệu sinh học, phân bón hoặc các sản phẩm hóa học khác), tạo ra một giải pháp xử lý phần lớn chất thải nhựa lên môi trường.

3. Xơ thực vật từ cây trồng biến đổi gen làm vật liệu chống thấm

Khi chúng ta chuyển sang tìm kiếm các vật liệu bền vững hơn cho các vật dụng hàng ngày của mình, thực vật ngày càng được coi là một lựa thân thiện với môi trường để tạo ra các polymer sinh học. Thật không may, xơ thực vật, một nguồn chính của các polymer sinh học này, có một nhược điểm ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của vật liệu đó là sự hấp thụ độ ẩm.

Các nhà nghiên cứu công nghệ sinh học tại Viện Khoa học và Công nghệ Luxembourg đã phát triển một phương pháp thay thế để tạo ra cây trồng sản xuất sợi mang các protein lưỡng tính có thể tạo thành các lớp đơn ở dưới dạng ưa nước-kỵ nước. Chúng có thể thay thế các phương pháp hóa học được sử dụng rộng rãi được sử dụng để đạt được tính thấm, vì phương pháp này không gây ra những thay đổi tiêu cực đến hình thái sợi xơ thực vật.

2. Sửa đổi gen thực vật để thúc đẩy tăng trưởng

Sự gia tăng dân số của con người và biến đổi khí hậu đang gây áp lực ngày càng tăng lên việc sản xuất cây trồng, như việc cải tiến hiệu quả sử dụng nitơ cho dinh dưỡng trong nông nghiệp và hấp thụ carbon môi trường. Sự biểu hiện và tầm quan trọng của các gen tạo nốt sần sớm (early nodulin - ENOD) đã được chứng minh là cần thiết cho sự hình thành nốt sần cố định đạm và được áp dụng để tăng hiệu quả sử dụng nitơ. Tuy nhiên, vì các nhà nghiên cứu chưa hiểu đầy đủ về cách ENOD hoạt động để tạo ảnh hưởng đến sự tăng trưởng, đặc điểm và sự phát triển của thực vật nên nó vẫn chưa được ứng dụng hiệu quả.

Tại Đại học Tây Úc, các nhà khoa học đã xác định được vai trò của gen ENOD93 bên trong tế bào thực vật, cho phép điều chỉnh và thao tác có mục đích lên ENOD93 tại các giai đoạn cụ thể trong quá trình phát triển của chúng. Công nghệ này cho phép kiểm soát sự thay đổi các đặc tính mong muốn ở thực vật (ví dụ như hiệu quả sử dụng nitơ, ra hoa nhanh, khả năng tái tạo, khả năng sinh sản, tăng trưởng và sinh khối) để đáp ứng nhu cầu cây trồng ngày càng tăng.

1. Protein tương thích sinh học trong tự nhiên để điều hướng proton

Vật liệu dẫn proton rất cần thiết cho năng lượng tái tạo và công nghệ điện tử sinh học. Nhiều thiết bị hiện đại dựa vào việc vận chuyển proton, từ pin nhiên liệu, bóng bán dẫn đến cảm biến sinh học hay cấy ghép trong y tế. Các vật liệu dẫn proton dựa trên protein vẫn đang ít được chú ý đến hơn so với các vật liệu nhân tạo khác, mặc tiềm năng nó mang lại lớn hơn về khả năng module hóa, khả năng điều chỉnh và khả năng xử lý.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Irvine đã chế tạo một vật liệu dẫn proton tương thích sinh học và linh hoạt từ các protein cấu trúc tự nhiên được tìm thấy trong động vật chân đầu. Các protein dẫn proton của động vật chân đầu có thể thay đổi khả năng chịu được nhiệt và axit bằng cách sử dụng các kỹ thuật kỹ thuật di truyền để điều chỉnh khả năng dẫn điện theo các thông số kỹ thuật khác nhau, cho phép dễ dàng tích hợp vào các hệ thống dòng chảy proton.

Tổng kết

Có rất nhiều khó khăn mà ngành công nghệ sinh học phải đối mặt. Có những thách thức rất khó vượt qua như việc phát triển đổi mới công nghệ sinh học và các thử nghiệm liên quan hay các chi phí và thỏa thuận cấp phép. Có nhiều vấn đề về đạo đức khi thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ sinh học vào các lĩnh vực xoay quanh nó, từ việc bảo vệ quyền riêng tư của bệnh nhân đến các mối quan tâm xã hội. Bất chấp những khó khăn này, việc tạo nên các bước tiến đột phá bằng cách đổi mới công nghệ sinh học sẽ thay đổi tương lai của chúng ta và sẽ giải quyết các vấn đề toàn cầu trong lĩnh vực y tế hay công nghiệp, nông nghiệp. Hãy mong chờ những nghiên cứu công nghệ sinh học nổi bật trong năm 2023 sắp tới được công bố có thể tạo ra những ảnh hưởng như thế nào đến toàn cầu!

Tài liệu tham khảo:Frances Wilkinson, Jolie Hamilton-Warford (1, 2), Mireia Baizan-Urgell (3, 4), Nathan Ford (5, 6), Daisy (7, 8), Ella Cliff, (9, 10). Edited by Frances Wilkinson and Jake Mitchell.

Xem thêm:

1.Công nghệ Crispr/cas9 – cơ chế tự sửa chữa của tế bào của hệ thống Crisp