Các ứng dụng về Công nghệ sinh học trong thực tiễn

Các lĩnh vực ứng dụng Công nghệ sinh học

Dựa theo các lĩnh vực kinh tế xã hội, có thể chia Công nghệ sinh học (CNSH) thành các mảng như:

1. Công nghệ sinh học trong Nông nghiệp
2. Công nghệ sinh học trong Thủy sản
3. Công nghệ sinh học trong Y Dược
4. Công nghệ sinh học trong Chế biến Thực phẩm
5. Công nghệ sinh học trong Bảo vệ Môi trường
6. Công nghệ sinh học Năng lượng
7. Công nghệ sinh học trong Hóa học và Vật liệu.

1 – Công nghệ sinh học trong Nông nghiệp

Công nghệ sinh học trong nông nghiệp là lĩnh vực công nghệ có nhiều đóng góp trong việc cải thiện giống cây trồng, góp phần giúp xây dựng ra những kỹ thuật canh tác mới có hiệu quả hơn; Ví dụ điển hình như nghiên cứu quá trình cố định đạm ở những cây không thuộc họ đậu. Ngoài ra, công nghệ sinh học còn được ứng dụng trong việc cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng. Lĩnh vực này có 04 ứng dụng chính:

1. Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma, nhân giống trong ống nghiệm (nhân giống in vitro), lai vô tính hay còn gọi là dung hợp tế bào trần, kỹ thuật sản xuất cây đơn bội (1n).
2. Ứng dụng vi sinh giúp cố định đạm và biến nạp gen nif. Dùng kỹ thuật gen tách gen nif từ các cơ thể cố định đạm chuyển sang các cây trồng quan trọng như lúa, ngô là một mô hình lý tưởng của các nhà tạo giống.
3. Ứng dụng trong các phương pháp canh tác mới, bao gồm: Phương pháp màng dinh dưỡng, hệ thống thủy canh.
4. Ứng dung công nghệ sinh học trong chăn nuôi, bao gồm các kỹ thuật như: Kỹ thuật cấy chuyển phôi, tạo ra chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật…

2 – Công nghệ sinh học trong Y Dược

Nhiều công trình nghiên cứu của công nghệ sinh học đã được ứng dụng thành công trong Y Dược, đặc biệt là trong sản xuất thuốc và trong chuẩn đoán bệnh. Trong những năm qua, lĩnh vực ứng dụng công nghệ di truyền mạnh nhất trong y tế là ngành sản xuất thuốc kháng sinh, vacxin, kháng thể đơn dòng và các protein có hoạt tính sinh học. Hiện nay, các nghiên cứu nhằm tìm kiếm các chất kháng sinh mới tăng mạnh do hiện tượng vi sinh vật kháng lại tác dụng của kháng sinh ngày càng nhiều hơn.

Phạm vi ứng dụng của kháng thể đơn dòng trong ngành y tế ngày càng tăng như phân tích miễn dịch, định vị các khối u, phát hiện một số protein có liên quan đến sự hình thành khối u, xác định sự có mặt của các loại vi khuẩn khác nhau, … giúp cho các bác sĩ xác định bệnh một cách nhanh chóng và chính xác.

Kháng thể đơn dòng là tập hợp các phân tử kháng thể đồng nhất về mặt cấu trúc và tính chất. Kháng thể đơn dòng được tạo ra bằng cách cho lai tế bào lympho trong hệ miễn dịch của động vật hoặc của người với tế bào ung thư. Một số thể lai có khả năng tạo ra kháng thể đặc hiệu đối với kháng nguyên. Chọn các thể lai đó nhân lên và sản xuất kháng thể đơn dòng. Các tế bào lai có khả năng tăng sinh vĩnh viễn trong môi trường nuôi cấy, tính chất này nhận được từ tế bào ung thư. Nhờ công nghệ sử dụng ADN tái tổ hợp mà người ta có thể sản xuất một số protein có hoạt tính sinh học dùng để chữa bệnh như insulin chữa bệnh tiểu đường, interferon chữa bệnh ung thư, các hormon tăng trưởng cho con người. Bản chất của công nghệ này là làm thay đổi bộ máy di truyền của tế bào vi sinh vật bằng cách đưa gen mã hóa cho một protein đặc hiệu và bắt nó hoạt động để tạo ra một lượng lớn loại protein mà con người cần.

3 – Công nghệ sinh học trong Chế biến Thực phẩm

Công nghệ lên men là một lĩnh vực quan trọng trong sản xuất thực phẩm. Việc tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng lên men tốt, đem lại hiệu quả cao là rất cần thiết. Các nghiên cứu sử dụng công nghệ di truyền phục vụ cho công nghệ lên men chủ yếu đi vào hai hướng chính là:

• Phân tích di truyền các loại vi sinh vật sử dụng trong quá trình lên men, xác định các gen mã hóa cho các tính trạng mong muốn nhằm tạo ra năng suất và chất lượng sản phẩm lên men.
• Tạo ra các vi sinh vật chuyển gen phục vụ cho các qui trình lên men. Ví dụ trong sản xuất rượu, ngày nay người ta đã dùng các chủng vi sinh vật có khả năng tạo rượu cao và cho hương vị tốt. Phần lớn các chủng đó được nghiên cứu, tuyển chọn, lai tạo bằng công nghệ di truyền.

Để sản xuất rượu vang, trước đây, người ta phải dùng hai loại vi sinh vật là Saccharomyces cerevisiae để tạo ra hàm lượng rượu trong dịch lên men và sau đó, sử dụng Leuconostoc trong lên men phụ ở quá trình tàng trữ, nhằm nâng cao chất lượng của rượu. Ngày nay, người ta tiến tới dùng một chủng vi sinh vật chuyển gen để thực hiện cả hai quá trình.

Đối với các sản phẩm lên men sữa như phomat và sữa chua, trước kia, người ta thường sử dụng những vi sinh vật tự nhiên có mặt trong sữa để lên men. Do vậy, người ta khó lòng kiểm soát quá trình lên men và hiệu quả không cao. Ngày nay người ta đã tạo được các chủng mới với các tính chất xác định và đã điều khiển được quá trình lên men theo định hướng mong muốn. Bằng công nghệ vi sinh vật, công nghệ gen người ta đã tạo ra những chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp các enzyme chịu nhiệt, chịu axit, chịu kiềm tốt để sản xuất enzyme. Enzyme λ-amylase chịu nhiệt đã và đang được sử dụng nhiều để sản xuất mạch nha, đường glucose từ tinh bột. Trước đây, trong công nghiệp thực phẩm các nghiên cứu công nghệ sinh học được sử dụng chủ yếu để hoàn thiện các quy trình công nghệ lên men truyền thống. Còn hiện nay, các nghiên cứu công nghệ sinh học chủ yếu liên quan đến việc tạo ra các chủng mới có năng suất sinh học cao và việc áp dụng chúng vào các công nghệ lên men hiện đại, trong sản xuất và chế biến các loại sản phẩm sau:

• Công nghiệp sản xuất sữa, Công nghệ sinh học trong chế biến tinh bột, Sản xuất nước uống lên men, như: bia, rượu nho, rượu chưng cất…
• Sản phẩm chứa protein, như: protein vi khuẩn đơn bào, protein từ tảo lam cố định đạm cyanobacteria và vi tảo.
• Sản xuất các chất tăng hương vị thực phẩm, như: axit citric, axit amino, vitamin và màu thực phẩm, chất tăng vị ngọt thực phẩm, keo thực phẩm…
• Chế biến rau quả.

4 – Công nghệ sinh học Bảo vệ Môi trường

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, loài người phải bắt đầu tìm cách giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường bằng các biện pháp khác nhau. Trong đó, các biện pháp công nghệ sinh học ngày càng tỏ ra ưu việt hơn so với các biện pháp khác. Nói chung, hiện nay vấn đề bảo vệ môi trường được giải quyết theo các hướng sau:

• Phân hủy các độc chất vô cơ và hữu cơ; Phục hồi các chu trình trao đổi chất của C, N, P và S trong tự nhiên; Thu nhận các sản phẩm có giá trị ở dạng nhiên liệu hoặc các hợp chất hữu cơ.
• Xử lý chất thải, như: xử lý sinh học hiếu khí, xử lý bằng lên men phân hủy yếm khí.
• Thu nhận các chất có ích từ lên men yếm khí, như: xử lý các dạng nước thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng.
• Xử lý các chất thải công nghiệp như: xử lý chất thải công nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải công nghiệp dệt.
• Dùng vi sinh vật để khả năng ăn dầu để xử l‎í các sự cố tràn dầu hay ô nhiễm dầu.

5 – Công nghệ sinh học Năng lượng

Sử dụng các công nghệ sinh học trong việc cung cấp nguồn năng lượng:

• Thay thế nguồn nguyên liệu cổ sinh bằng nguồn nguyên liệu tái sinh. Nguồn nguyên liệu tái sinh như các phụ phế liệu nông lâm nghiệp tương đối rẻ được sử dụng thay dầu mỏ và có lợi cho môi trường
• Thay các quá trình không sinh học truyền thống bằng các hệ thống sinh học như tế bào hay enzym thực hiện phản ứng hay chất xúc tác.
• Thực vật có thể làm nhà máy sản xuất các hóa chất như axit lactic, lysine và axit citric… và thực vật trong sản xuất plastic.
• Tăng cường hiệu quả của quang hợp: Cây trồng có hiệu quả quang hợp khoảng 0,5-2%. Biện pháp chọn giống thực vật có hiệu quả quang hợp cao thực hiện theo các hướng: kiểm soát các cây có tốc độ tăng trưởng nhanh, nghiên cứu các phương pháp thử nhanh để phát hiện dòng có hiệu quả quang hợp cao. Trên cơ sở đó, điều khiển bộ gen thực vật theo hướng tăng cường quang hợp.
• Tăng năng suất cây trồng và cây rừng: Bằng các phương tiện chọn giống khác nhau, tạo các thực vật có năng suất cao trong thời gian ngắn nhờ các đặc tính tốt.

…

6 – Công nghệ sinh học trong Hóa học

Trong thế kỷ XX, con người đã khai thác một nguồn rất nhỏ tài nguyên thực vật để sản xuất một số hóa chất. Trong thế kỷ 21, con người sẽ áp dụng các quy trình khoa học công nghệ phù hợp để phát triển mạnh mẽ hóa học xanh để phù hợp với thiên nhiên và an toàn cho môt trường.

• Sản xuất các vật liệu mới phân hủy sinh học như các polymer sinh học, cellulose vi khuẩn, polylactic…
• Sản xuất các hóa chất từ các sinh khối thực vật.