Công nghệ sinh học (PHẦN 1): Nền tảng của khoa học và sự sống

1. Ngành Kỹ thuật Sinh học hoạt động như thế nào?

Kỹ thuật Sinh học sử dụng các hệ thống sống (tế bào, vi sinh vật, enzyme, DNA, protein, v.v.) hoặc các công cụ mô phỏng sinh học để phát triển các sản phẩm hoặc dịch vụ. Ví dụ, nó có thể bao gồm việc sử dụng vi khuẩn để sản xuất thuốc, chỉnh sửa gen cây trồng để tăng năng suất hoặc phát triển vật liệu sinh học thân thiện với môi trường. Các kỹ sư sinh học thường làm việc trong phòng thí nghiệm với các thiết bị tiên tiến như máy PCR (phản ứng chuỗi polymerase), hệ thống giải trình tự gen, hoặc các lò phản ứng sinh học (bioreactor) để nuôi cấy tế bào hoặc vi sinh vật.

2. Các lĩnh vực ứng dụng chính của Kỹ thuật Sinh học

1. Y học: Phát triển thuốc, vắc-xin, liệu pháp gen, và chẩn đoán bệnh.
2. Nông nghiệp: Tạo giống cây trồng chịu hạn, kháng sâu bệnh, hoặc tăng giá trị dinh dưỡng.
3. Công nghiệp thực phẩm: Sản xuất thực phẩm lên men (bia, sữa chua), chất bảo quản tự nhiên, hoặc thực phẩm chức năng.
4. Môi trường: Xử lý ô nhiễm, tái chế rác thải, hoặc phát triển năng lượng sinh học (biofuel).
5. Công nghiệp hóa chất: Sản xuất vật liệu sinh học như nhựa phân hủy sinh học hoặc enzyme công nghiệp.

3. Các thành tựu nổi bật của Kỹ thuật Sinh học

3.1. Công nghệ mRNA trong sản xuất vắc-xin COVID-19

• Cách hoạt động: Công nghệ mRNA (messenger RNA) sử dụng một đoạn mã di truyền nhân tạo để "hướng dẫn" tế bào con người sản xuất protein gai (spike protein) của virus SARS-CoV-2. Khi hệ miễn dịch nhận diện protein này, nó tạo ra kháng thể để bảo vệ cơ thể khỏi virus thật sự. Không giống vắc-xin truyền thống (dùng virus bất hoạt hoặc yếu), vắc-xin mRNA không cần nuôi cấy virus, giúp rút ngắn thời gian phát triển từ vài năm xuống còn chưa đầy một năm.
• Thành tựu: Vắc-xin của Pfizer-BioNTech và Moderna được phê duyệt lần lượt vào tháng 12/2020 và tháng 1/2021, chỉ 11 tháng sau khi đại dịch bùng phát. Theo ước tính, các vắc-xin này đã cứu sống hàng chục triệu người và giảm tỷ lệ tử vong toàn cầu.
• Tầm quan trọng: Công nghệ mRNA mở ra tiềm năng cho các loại vắc-xin tương lai, không chỉ chống lại virus mà còn điều trị ung thư hoặc bệnh tự miễn.

3.2. Chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9

• Cách hoạt động: CRISPR-Cas9 là một công cụ "cắt dán" DNA lấy cảm hứng từ hệ miễn dịch của vi khuẩn. Nó sử dụng một enzyme (Cas9) và một đoạn RNA dẫn đường để tìm kiếm và cắt bỏ đoạn DNA lỗi trong bộ gen, sau đó thay thế bằng đoạn DNA mong muốn. Quy trình này chính xác, nhanh chóng và rẻ hơn nhiều so với các phương pháp chỉnh sửa gen trước đây.
• Thành tựu: Phát minh của Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna đã cách mạng hóa y học và nông nghiệp. Ví dụ, CRISPR đã được dùng để chữa bệnh thiếu máu hồng cầu lưỡi liềm (sickle cell disease) bằng cách sửa lỗi gen ở tế bào gốc của bệnh nhân. Trong nông nghiệp, nó tạo ra các giống cây trồng chống chịu tốt hơn với biến đổi khí hậu.
• Tầm quan trọng: Công cụ này không chỉ giúp điều trị bệnh di truyền mà còn đặt ra những câu hỏi đạo đức lớn về việc chỉnh sửa gen ở người, ví dụ như tạo "em bé thiết kế" (designer babies).

3.3. Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý rác thải

• Cách hoạt động: Các vi sinh vật như vi khuẩn hoặc nấm được sử dụng để phân hủy chất thải hữu cơ và vô cơ, bao gồm nhựa khó phân hủy như PET (polyethylene terephthalate). Ví dụ, vi khuẩn Ideonella sakaiensis tiết ra enzyme phân giải nhựa thành các phân tử nhỏ hơn, sau đó tiếp tục phá vỡ chúng thành CO2 và nước trong vài tuần.
• Thành tựu: Trước đây, nhựa PET mất hàng trăm năm để phân hủy tự nhiên trong môi trường. Nhờ vi khuẩn này, quá trình được rút ngắn đáng kể, mở ra hy vọng giảm thiểu ô nhiễm nhựa toàn cầu. Các công ty công nghệ sinh học hiện đang nghiên cứu cách nhân giống và tối ưu hóa vi sinh vật này ở quy mô công nghiệp.
• Tầm quan trọng: Ứng dụng này không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn, nơi rác thải được tái chế thành tài nguyên mới.