10 hướng tiềm năng của công nghệ sinh học nông nghiệp
Công nghệ sinh học thường được nhắc đến trong các lĩnh vực nghiên cứu y sinh, nhưng thực tế có nhiều ngành công nghiệp khác tận dụng các phương pháp công nghệ sinh học để nghiên cứu, nhân bản và biến đổi gen. Chúng ta đã dần quen với ý tưởng về enzyme trong cuộc sống hàng ngày và nhiều người đã bắt đầu quen với những tranh cãi xung quanh việc sử dụng GMO như là thực phẩm hằng ngày. Ngành nông nghiệp là trung tâm của cuộc tranh luận đó, dẫu vậy công nghệ sinh học nông nghiệp đã sản xuất vô số sản phẩm mới có tiềm năng thay đổi cuộc sống của chúng ta tốt hơn.
1. Vắc-xin
Vắc-xin uống đã được sử dụng trong nhiều năm như là một giải pháp khả thi đối với vấn đề dịch bệnh lây lan ở các nước kém phát triển, nơi mà chi phí quá đắt đỏ đối với việc tiêm phòng rộng rãi. Cây trồng biến đổi gen, thường là trái cây hoặc rau quả, được ‘thiết kế’ để mang protein kháng nguyên từ mầm bệnh, sẽ kích hoạt phản ứng miễn dịch khi ta ăn vào.
Một ví dụ về điều này là một loại vắc-xin dành riêng cho bệnh nhân để điều trị ung thư. Một loại vắc-xin chống ung thư hạch đã được tạo ra bằng cách sử dụng cây thuốc lá mang ARN từ các tế bào B ác tính. Protein được cây thuốc lá tạo ra được sử dụng để làm vắc-xin cho bệnh nhân và tăng cường hệ thống miễn dịch chống lại ung thư. Vắc-xin sản xuất dự phòng điều trị ung thư đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong các nghiên cứu sơ bộ.
2. Kháng sinh
Thực vật được sử dụng để sản xuất kháng sinh cho cả người và động vật. Biểu hiện protein kháng sinh trong thức ăn chăn nuôi, cho động vật ăn trực tiếp, ít tốn kém hơn so với sản xuất kháng sinh truyền thống, nhưng thực tế này gây ra nhiều vấn đề về đạo đức sinh học vì kết quả là sử dụng kháng sinh tràn lan, kể cả trong trường hợp không cần thiết, có thể thúc đẩy sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng kháng sinh.
Một số lợi thế của việc sử dụng thực vật để sản xuất kháng sinh cho con người là giảm chi phí, do lượng sản phẩm lớn hơn có thể được sản xuất từ thực vật so với lên men, dễ thanh lọc và giảm tạp chất so với khi sử dụng tế bào động vật và môi trường nuôi cấy.
3. Hoa
Công nghệ sinh học nông nghiệp còn nhiều điều khác để làm chứ không chỉ là chống lại bệnh tật hoặc cải thiện chất lượng thực phẩm. Có một số ứng dụng hoàn toàn về mặt thẩm mỹ và một ví dụ về điều này là việc sử dụng các kỹ thuật nhận dạng và chuyển gen để cải thiện màu sắc, mùi, kích thước và các đặc tính khác của hoa.
Tương tự như vậy, công nghệ sinh học đã được sử dụng để cải tiến các loại cây cảnh phổ biến khác. Một số trong những thay đổi này tương tự như những thay đổi mà chúng ta đã làm trên cây trồng mùa vụ, chẳng hạn như tăng cường khả năng chống lạnh của một giống cây nhiệt đới.
4. Nhiên liệu sinh học
Ngành nông nghiệp đóng một vai trò lớn trong ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học, cung cấp nguyên liệu cho quá trình lên men và tinh chế dầu sinh học, diesel sinh học và ethanol sinh học. Kỹ thuật di truyền và kỹ thuật tối ưu hóa enzyme đang được sử dụng để phát triển các nguyên liệu chất lượng tốt hơn nhằm tăng hiệu suất đốt và hiệu suất sinh nhiệt của các sản phẩm nhiên liệu thu được. Cây trồng năng suất cao, giàu năng lượng có thể còn giảm thiểu chi phí liên quan đến thu hoạch và vận chuyển (trên một đơn vị năng lượng sinh ra), dẫn đến sản phẩm nhiên liệu có giá trị cao hơn.
5. Nhân giống cây trồng và vật nuôi
Tăng cường các đặc tính tốt của thực vật và động vật thông qua các phương pháp truyền thống như thụ phấn chéo, ghép và nhân giống chéo thường rất tốn thời gian. Tiến bộ công nghệ sinh học cho phép các thay đổi có chủ đích được thực hiện nhanh chóng, ở cấp độ phân tử thông qua biểu hiện quá mức hoặc xóa gen hoặc truyền gen ngoại lai.
Loại thứ hai là có thể sử dụng các cơ chế kiểm soát biểu hiện gen như promotor của gen cụ thể và các yếu tố phiên mã. Các phương pháp như chọn lựa dựa vào chỉ thị (MAS) cải thiện hiệu quả của việc nhân giống động vật “có định hướng”, mà không hề gây những tranh cãi liên quan đến GMO. Các phương pháp nhân bản gen tuy nhiên cũng phải giải quyết sự khác biệt của các loài trong mã di truyền, sự hiện diện hay vắng mặt của các intron và biến đổi sau dịch mã như methyl hóa.
6. Cây trồng kháng sâu bệnh
Trong nhiều năm, vi khuẩn Bacillus thuringiensis, sản sinh ra một loại protein độc hại đối với côn trùng, đặc biệt là sâu đục thân ngô, được sử dụng để phun cho cây trồng. Để hạn chế cả việc phun loại thuốc trừ sâu sinh học này, các nhà khoa học trước tiên đã phát triển ngô biến đổi gen biểu hiện protein Bt, tiếp theo là khoai tây và bông Bt. Protein Bt không độc hại đối với con người và cây trồng biến đổi gen, giúp nông dân dễ dàng tránh được việc sử dụng thuốc trên diện rộng rất tốn kém.
Năm 1999, tranh cãi nổi lên về ngô Bt vì một nghiên cứu cho thấy phấn hoa đã bay đến cây bông tai, từ đó giết chết ấu trùng bướm vua khi ấu trùng ăn phải. Các nghiên cứu sau đó đã chứng minh nguy cơ đối với ấu trùng là rất nhỏ và trong những năm gần đây, cuộc tranh cãi về ngô Bt đã chuyển trọng tâm sang chủ đề kháng sâu bệnh mới nổi.
7. Cây trồng mang gen trừ sâu sinh học
Đừng nhầm lẫn với tính kháng sâu bệnh, những cây này có thể cho phép nông dân tiêu diệt cỏ dại xung quanh mà không làm hại cây trồng của họ một cách chọn lọc. Ví dụ nổi tiếng nhất về điều này là công nghệ Roundup-Ready, được phát triển bởi Monsanto. Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1998 dưới dạng đậu nành biến đổi gen, cây Roundup-Ready không bị ảnh hưởng bởi thuốc diệt cỏ glyphosate, có thể được áp dụng với số lượng lớn để loại bỏ bất kỳ loại cây nào khác trên đồng ruộng.
Lợi ích của việc này là tiết kiệm thời gian và chi phí liên quan đến canh tác thông thường để giảm cỏ dại hoặc nhiều ứng dụng trong các loại thuốc diệt cỏ khác để loại bỏ các loài cỏ dại cụ thể một cách chọn lọc. Những hạn chế là tất cả các lập luận gây tranh cãi chống lại GMO.
8. Bổ sung chất dinh dưỡng
Các nhà khoa học đang tạo ra các loại thực phẩm biến đổi gen có chứa các chất dinh dưỡng được biết là giúp chống lại bệnh tật hoặc suy dinh dưỡng, nhằm cải thiện sức khỏe của con người, đặc biệt là ở các nước kém phát triển. Một ví dụ về điều này là gạo vàng, có chứa beta-carotene, tiền chất để sản xuất Vitamin A trong cơ thể chúng ta. Những người ăn gạo sản xuất nhiều Vitamin A, một chất dinh dưỡng thiết yếu thiếu trong chế độ ăn uống của người nghèo ở các nước châu Á. Ba gen, hai từ hoa thủy tiên và một từ vi khuẩn, có khả năng xúc tác bốn phản ứng sinh hóa, đã được tách dòng vào cây lúa để làm cho hạt trở nên “vàng”. Tên này xuất phát từ màu của hạt chuyển gen do sự biểu hiện quá mức của beta-carotene, là chất làm cho cà rốt cũng có màu vàng cam.
9. Kháng stress phi sinh học
Chưa đến 20% trái đất là đất phù hợp để trồng trọt nhưng một số cây trồng đã bị biến đổi gen giúp chúng chịu đựng được các điều kiện như nhiễm mặn, lạnh giá và hạn hán. Việc phát hiện ra các gen trong thực vật chịu trách nhiệm cho sự hấp thu natri đã dẫn đến sự phát triển của các loại thực vật có khả năng phát triển trong môi trường muối cao. Điều chỉnh tăng hoặc giảm phiên mã nói chung là phương pháp được sử dụng để thay đổi khả năng chịu hạn ở cây trồng. Ngô và cây cải dầu, có thể phát triển mạnh trong điều kiện khô hạn, đã đang trong năm thứ tư thử nghiệm tại một số bang ở Mỹ, và dự đoán rằng chúng sẽ tiếp cận thị trường trong vài năm nữa.
10. Sợi bền trong công nghiệp
Tơ nhện là loại sợi bền nhất mà con người biết đến, mạnh hơn Kevlar (dùng để chế tạo áo chống đạn), có độ bền kéo cao hơn thép. Vào tháng 8 năm 2000, công ty Nexia của Canada đã công bố phát triển dê biến đổi gen sản xuất protein tơ nhện trong sữa của chúng. Trong khi điều này giải quyết vấn đề sản xuất protein hàng loạt, chương trình đã bị gác lại khi các nhà khoa học không thể tìm ra cách quay chúng thành sợi như những con nhện làm. Đến năm 2005, những con dê đã được rao bán cho bất cứ ai muốn mua chúng. Mặc dù có vẻ như ý tưởng tơ nhện đã được xếp xó thời điểm đó, nhưng thực tế đã cho thấy rằng đây là một sản phẩm đầy tiềm năng và các nhà khoa học vẫn không ngừng theo đuổi nó.
Bài viết tham khảo từ The Balance
iceberg (biên tập)
tapchisinhhoc
Đọc thêm: Học công nghệ sinh học ra làm gì?
Những xu hướng phát triển công nghệ sinh học 2017 – 2018
