Công nghệ sinh học tổng hợp
Chúng ta đang đứng ở ngưỡng cửa của kỷ nguyên siêu sinh học (superbio): Không lâu nữa chất dẻo sẽ được sản xuất không phải từ chiết xuất dầu mỏ, hay giày dép sẽ không được làm từ da gia súc mà từ tơ nhện.
Trong những ngày hè này, trên tầng năm của toà nhà xưa kia thuộc nhà máy đóng tàu thuỷ tại khu cảng cũ Boston đang diễn ra những sự việc có thể dẫn đến sự thay đổi mãi mãi cuộc sống trên trái đất này. Tại đây, giữa những thiết bị máy móc hiện đại dùng trong phòng thí nghiệm, các máy tính và các tủ ấp, nhà sinh học Tom Knight, một nhà nghiên cứu hàng đầu, dày dạn kinh nghiệm của Học viện công nghệ Massachusetts (MIT) cùng với một số nghiên cứu sinh của ông thành lập Startup Ginkgo Bioworks đang miệt mài với những công trình đầy sáng tạo về sự sống nhân tạo của mình. Ông được các đồng nghiệp tôn vinh là cha đẻ của sinh học tổng hợp (Synthetic biology).
Xung quanh nhà nghiên cứu Knight là hàng chục thiết bị máy móc tự động sử dụng ống hút, lắc ống nghiệm và sắp xếp chuỗi gene. Từng bước, từng bước ông và các cộng sự kiên trì sắp xếp hàng nghìn chuỗi DNA lại với nhau, đây thực sự là một trò xếp hình khổng lồ. Sau đó các nhà sinh học cấy vật liệu di truyền vào vi sinh vật, vi khuẩn hay tế bào nấm men. Ở nhiệt độ 30oC các đơn bào này sinh sôi nảy nở, cho ra đời một sinh vật mới trong phòng thí nghiệm. Lần này là một tế bào nấm chứa gene của cây đào, có thể tạo ra chất thơm của trái cây để dùng cho trà đá hay sữa chua. Cho đến nay tập thể cộng sự của Knight đã cho ra đời được 40 loại vi sinh vật như vậy.
Knight là người đi tiên phong trong lĩnh vực công nghệ sinh học tổng hợp, mở đầu của quá trình cải tạo sẽ diễn ra trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Không lâu nữa, nhờ những phương pháp mà các nhà sinh học tổng hợp đã thử nghiệm, trong tương lai con người sẽ không phải giết mổ gia súc vì thịt được tạo ra bằng dung dịch dinh dưỡng. Con người cũng không cần có dầu mỏ vì họ có thể nấu được chất dẻo. Con người cũng không cần có đèn LED, vì chúng ta có thể dùng vi khuẩn để chiếu sáng. John Cumbers, nhà sáng lập mạng lưới công nghệ sinh học SynBioBeta dự báo: “Trong vòng hai chục năm nữa công nghệ sinh học tổng hợp sẽ trở thành mảng kinh doanh then chốt của phần lớn các doanh nghiệp”. Ý tưởng này đang thu hút mạnh mẽ các nhà đầu tư. Nếu như năm 2016 các nhà đầu tư chi một tỷ USD cho các Startup thuộc lĩnh vực sinh học tổng hợp thì đến năm 2020 thị trường này sẽ tăng lên 40 tỷ USD, theo công ty nghiên cứu thị trường Allied Market Research.
Đây không phải là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu về gene tuyên bố về một cuộc cách mạng công nghệ sinh học. Trong những năm 1990, đã có nhiều Startup được thành lập và cũng đã có nhiều hãng sau đó bị biến mất. Còn hiện nay chi phí sản xuất các chuỗi gene giảm mạnh, giúp thổi bùng lên không khí hồ hởi náo nức tại các phòng thí nghiệm.
Craig Venter, một trong những chuyên gia gạo cội hàng đầu về gene cho rằng không lâu nữa hầu như mọi chất liệu đều có thể chế tạo bằng phương pháp tổng hợp. Chi phí cho một kg nguyên liệu chỉ mất một vài cent hay vài đôla và yêu cầu về diện tích nhà xưởng để chế tạo chỉ bằng một phần nghìn so với các cơ sở sản xuất công nghiệp hiện nay. Ví dụ để tạo ra một kg tinh dầu hoa hồng người nông dân phải thu hái một triệu rưỡi bông hồng. Còn hãng Ginkgo Bioworks cung cấp nguyên liệu tinh dầu hoa hồng cho hãng sản xuất nước hoa Robertet của Pháp bằng việc chế biến từ tế bào nấm men và để tạo ra một khối lượng tinh dầu tương tự, nhà sản xuất chỉ cần xây dựng một bể chứa nhỏ gọn đặt ngay ở trong thành phố.
Hiếm khi nào các nhà khởi nghiệp trong lĩnh vực công nghệ sinh học tổng hợp ở Hoa Kỳ, châu Á và châu Âu lại được săn đón, mời chào như hiện nay. Tiền đổ về như nước chắp cánh cho những ý tưởng đầy tham vọng của họ.
Một số doanh nghiệp khởi nghiệp có ý đồ tạo thịt bằng công nghệ sinh học tổng hợp, từ đó đưa gia súc ra khỏi chuỗi thức ăn của con người: Startup Finless Foods ở San Francisco muốn nuôi tế bào cá trong bể để tạo ra philê cá. Một số đối thủ cạnh tranh lại tính đến việc chế tạo thịt, sữa, gelatin và da mà không cần nuôi gia súc. Hiện nay các trang trại nông nghiệp chiếm dụng khoảng 40% đất đai. Nếu ý đồ sản xuất thực phẩm từ các bể dinh dưỡng thành công thì có thể trả lại không gian cho thiên nhiên và giảm lượng phát thải khí CO2 trong nông nghiệp đáng kể.
Thậm chí kỷ nguyên dầu mỏ có thể sẽ bị cáo chung. Điều này đã được chứng minh bởi tập đoàn Adidas ở Herzogenaurach, Đức. Để làm ra một đôi giày thể thao tiêu hao khoảng 6 lít dầu mỏ. Nhưng loại giày thể thao mới cũng của hãng này, hiện còn ở dạng nguyên mẫu, không tiêu hao giọt dầu nào. Vì nguyên liệu làm loại giày này là tơ nhện tổng hợp. Loại nguyên liệu này không những có độ bền cao hơn mà còn nhẹ hơn. Tuy nhiên cho đến nay chỉ có nhện mới sản sinh ra được nguyên liệu này.
Hiện hãng công nghệ sinh học Amsilk ở Planegg, Đức đã cấy gene vào vi khuẩn coli để chúng tác động vào chất thải thực vật và tạo ra một loại vải bền và có thể phân huỷ. Theo Adidas, hãng này có thể tạo ra hàng loạt sáng kiến, phát minh mới mẻ từ loại sợi sinh học này và hiện tại hai doanh nghiệp đang trao đổi về các bước đi tiếp theo. Adidas muốn làm sao để có thể đưa ra thị trường một cách nhanh nhất loại giày được sản xuất hoàn toàn bằng nguyên liệu sinh học có khả năng tự huỷ này.
Trong các cuộc thi sinh học tổng hợp iGem của sinh viên được tổ chức hằng năm trên toàn thế giới, các đội tham gia đều phát triển các cỗ máy sinh học mới: ví dụ chế tạo ra loại vi khuẩn phát sáng và tới đây Startup Glowee muốn đưa chúng vào phục vụ phát sáng cho các toà nhà; tế bào thám tử (Detective cells) có thể đổi màu khi phát hiện chất arsen trong nước; các công tắc phân tử có khả năng công phá tế bào ung thư; hoặc loại tảo có thể chế tạo ra dầu.
Tập đoàn dầu mỏ ExxonMobil đặc biệt quan tâm đến dự án biến tảo thành dầu và đã đầu tư 600 triệu USD cho Startup Synthetic Genomics của Craig Venters để ép tảo lấy nhiên liệu. Trong 15 năm qua đã có một loạt dự án tương tự được tiến hành nhưng không thành công, nhiều Startup bị phá sản. Tuy nhiên hồi tháng sáu vừa qua, Synthetic Genomics đã thông báo rằng các nhà nghiên cứu của Startup này có thể tăng lượng dầu thu từ tảo lên hơn gấp đôi. Từ đó có thể thấy dự án chế tạo dầu từ tảo của doanh nghiệp này đã chín muồi.
Nhóm nghiên cứu của Venters đã áp dụng một công nghệ mới, công nghệ này tấn công như vũ bão vào lĩnh vực sinh học từ năm 2012: công nghệ chỉnh sửa gene Crispr-Cas9. Với công nghệ này, người ta có thể dễ dàng bóc tách từng đoạn gene trong DNA, từ đó chắp nối gene di truyền như làm phim vậy. Điều này đã diễn ra trong phòng thí nghiệm của George Church ở Đại học Harvard. Tại đây các nhà sinh học phân tử tiến hành hàng loạt thử nghiệm hết sức táo bạo. Nhà nghiên cứu George Church muốn tái sinh voi Mammut tương tự như các nhà nghiên cứu trong phim “Kỷ Jura” muốn làm sống lại những con khủng long. Để làm điều này, Church dự kiến lấy gene từ xác ướp voi mamut cấy vào những con voi hiện nay. Trải qua nhiều thế hệ sẽ hình thành voi mamut từ những con voi ngày nay. Nhà nghiên cứu này hy vọng, phương pháp tương tự sẽ làm sống lại những loại cây trồng quý giá phục vụ cuộc sống con người.
Nhà nghiên cứu Church năm nay 70 tuổi, từng được tạp chí Time tôn vinh là một trong số 100 nhân vật quan trọng nhất của năm. Ông nói về các thử nghiệm thay đổi gene ở lợn nhằm sử dụng nội tạng của lợn làm bộ phận thay thế các cơ quan ở con người: “Chúng tôi tiến hành nghiên cứu tiền lâm sàng vào năm tới”. Dăm ba năm nữa sẽ diễn ra các ca cấy ghép nội tạng đầu tiên ở người. Church muốn điều trị các bệnh di truyền, ví dụ như bệnh teo cơ bằng cách tiêm thuốc điều chỉnh gene để khắc phục. Church là một trong những người sáng lập dự án Write Genom với mục tiêu đưa sinh học tổng hợp lên đỉnh cao. Dự án về gene người này vốn đề ra mục tiêu đọc được toàn bộ bộ gene của con người. Các nhà khoa học hy vọng trên con đường nghiên cứu này sẽ phát hiện được nhiều sự bí ẩn trong các tế bào – qua đó có thể tiếp tục giảm chi phí đối với việc tổng hợp gene.
Thậm chí tới đây có thể “gửi dữ liệu DNA của vi sinh vật qua Email, rồi sau đó tái tạo lại các tế bào ở một nơi khác ”, Andrew Hessel, một trong các đồng sáng lập công ty công nghệ sinh học GP-Write nói. Ví dụ, thầy thuốc tại một bệnh viện ở châu Phi có thể chế tạo các vi sinh vật có tính năng chữa bệnh, còn các vi sinh vật này đã được phát triển trong các phòng thí nghiệm ở Harvard. Đây thực sự là một công nghệ vĩ đại và kẻ nào nắm được chìa khoá của công nghệ này sẽ là người có thể quyết định về sự sống và cái chết. Một ủy ban về đạo đức sinh học của Hoa Kỳ đã khuyến nghị nên cấy ghép gene tự hủy vào những sinh vật được chế tạo ra theo phương pháp trên để ngăn cản chúng không sinh sôi nảy nở bên ngoài các phòng thí nghiệm. Thậm chí mới đây các nhà nghiên cứu ở Đại học Alberta, Canada đã tái tạo loại virus đậu mùa cực kỳ nguy hiểm (loại virus này được coi là bị tuyệt diệt) để có thể tìm hiểu kỹ càng hơn về các loại tác nhân gây ra căn bệnh nguy hiểm này. Hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra một khi bọn khủng bố cũng dùng phương pháp này để sản xuất vũ khí sinh học?
Nguyễn Xuân Hoài lược dịch từ Tuần kinh tế Đức
