NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Một số lĩnh vực Công Nghệ Sinh Học cần quan tâm theo dõi và đầu tư đúng mức

1. Sinh học tế bào

Sinh học tế bào sẽ tiếp tục đóng vai trò trụ cột cho Công Nghệ Sinh Học. Bộ môn này nghiên cứu hoạt động của các phân tử trong tế bào, chúng chuyển động trong đó ra sao, thâm nhập và ra khỏi tế bào như thế nào; cách thức các tế bào vận động và tương tác với các tế bào khác; cách thức tế bào hiểu và phản ứng với thông tin từ môi trường; cách thức tế bào và các cấu phần của nó được tạo thành và phá huỷ ra sao ?

Ta đã hiểu được một số cấu trúc tế bào và các đường hoá sinh, nhưng vẫn còn nhiều thứ nữa chưa được biết. Có vô số thông tin về các cấu phần tế bào và về tổ chức của chúng, nhưng cho dù đã trải qua trên 100 năm nghiên cứu nhưng ta vẫn chưa hiểu được chi tiết cách thức hoạt động của tế bào ở phương diện tổng thể, thậm chí chỉ đơn giản là trường hợp của vi khuẩn. Việc hoàn thiện kiến thức về hoạt động của tế bào sẽ đóng vai trò quan trọng để phát triển các Công Nghệ Sinh Học mới và những ứng dụng tinh tế hơn.

Những phát minh trong sinh học tế bào tiếp tục cung cấp những khả năng mới để phát triển thành Công Nghệ Sinh Học, ví dụ :

- Việc hiểu được cách thức tế bào nhận biết những vi sinh vật tấn công nó sẽ đem lại các liệu pháp mới, chẳng hạn như kháng sinh;

- Việc hiểu được cách thức tế bào tạo ra số lượng nhiều hơn những tế bào cần thiết và làm thế nào để kiểm soát sẽ giúp hoàn thiện liệu pháp chống ung thư;

- Việc hiểu được nhân tố nào kiểm soát sự tăng trưởng và chuyên biệt hoá của tế bào gốc có thể đem lại những ứng dụng trị liệu quan trọng;

- Việc hiểu được cách thức điều chỉnh của gen và các đường hoá sinh sẽ giúp đem lại các kỹ thuật Biến đổi gen (GM) tiên tiến hơn;

- Việc hiểu được cách thức tế bào cảm nhận môi trường và cách thức sử dụng các quy trình này để tạo ra cảm biến sinh học có thể đem lại những ứng dụng trong phạm vi rộng;

- Việc hiểu được các “giàn giáo” ( Scaffold ) phân tử và motor ở trong tế bào hoạt động cùng với nhau như thế nào có thể sẽ làm cơ sở cho những ứng dụng sinh học của công nghệ nano ở nửa thế kỷ tới;

Nghiên cứu sinh học tế bào là hết sức cần thiết đối với những nền kinh tế dựa vào sinh học. Ngành nông, lâm nghiệp thường vẫn chỉ coi tế bào là một “hộp đen” và quản lý nó thông qua các đầu vào và đầu ra. Nếu thiếu hiểu biết sâu sắc và thực tiễn hoạt động của tế bào thì sẽ rất khó, thậm chí là không thể, để nền nông nghiệp tạo ra được lương thực và các sản phẩm khác cần thiết ở những thập kỷ tới, khi tình trạng môi trường được dự báo là sẽ thay đổi khôn lường.

2. Biểu sinh học

Thoạt đầu người ta cho rằng biết được chuỗi ADN thì có thể giải thích được mọi điều liên quan đến di truyền. Tuy nhiên, người ta đã nhận ra rằng nếu chỉ biết chuỗi ADN hoặc ARN thì chưa đủ. Biểu sinh học ( đôi khi gọi là “dấu vân” di truyền ) là bộ môn nghiên cứu những đặc trưng không mã hoá ở chuỗi gen mà nhờ mối tương tác của ADN với các phân tử khác, hoặc giữa các protein. Người ta thường coi đây là hình thức đặc biệt của “tính di truyền Lamark”. Nó đóng vai trò quan trọng trong phát triển sinh học, chẳng hạn như trong sự hình thành các tế bào sinh sản. Cũng có những cơ chế di truyền không bình thường, chẳng hạn như hiện tượng prion, nằm trong phạm vi của biểu sinh học và người ta tin rằng một số chức năng lưu trữ của hệ thần kinh có thể là hành vi tương tự như prion.

Có thể so sánh biểu sinh học giống như dàn nhạc được tấu từ các bản nhạc bè ( trong trường hợp này là hệ gen ). Trạng thái “biểu sinh học” của dàn nhạc là cách bài trí, phòng trang âm, chất lượng dụng cụ, kỹ năng nhạc công và quan trọng hơn là cả người chơi solo. ảnh hưởng của bản nhạc bè ( hệ gen ) bị thay đổi bởi những hạn chế và thiên lệch của cấu trúc xung quanh. Cùng một bản nhạc nhưng có thể đem lại hiệu ứng khác nhau, tương tự như vậy, cùng một hệ gen nhưng có thể sinh ra những trẻ tương đối khác nhau.

Tiềm năng ứng dụng

Việc hiểu biết rõ hơn về quá trình biểu sinh sẽ đem lại những ứng dụng thực tiễn. Một số căn bệnh ở người nguyên do là có sự sai sót trong di truyền, bởi vậy nếu hiểu được quá trình này thì sẽ tìm ra biện pháp chữa trị. Liệu pháp tế bào gốc và việc tạo ra các động vật nhân bản vô tính hiện vẫn còn hạn chế, một phần là do thiếu kiến thức và khả năng kiểm soát biểu sinh học. Do vậy, nếu nắm vững hơn về biểu sinh học thì sẽ có khả năng kiểm soát tốt hơn và phát triển được các phần tử đánh dấu để lựa chọn các tế bào ở trạng thái biểu sinh cần thiết.

3. Sinh học hệ thống

Đây là bộ môn mới, đang nổi, có triển vọng tăng trưởng ở thập kỷ tới để phục vụ Công Nghệ Sinh Học. Như đã đề cập ở trên, tính phức tạp và sự hội tụ của các bộ môn khoa học ngày càng gia tăng. Chúng ta đã có trong tay khối lượng dữ liệu khổng lồ, nhưng việc giải nghĩa chúng hiện đang là vấn đề và đó là hạn chế then chốt để ứng dụng các kiến thức sinh học. Hiện đang có một trào lưu ngày càng mạnh mẽ trong các lĩnh vực phân tử để vận dụng cách tiếp cận “từ trên xuống”, nhằm nghiên cứu tế bào và sinh vật. Lĩnh vực nghiên cứu này được gọi là sinh học hệ thống.

Quan điểm về hiểu biết ở cấp hệ thống trong sinh học đã tồn tại một số năm gần đây. Sinh thái học và dịch tễ học đều ứng dụng cách tiếp cận này, nhưng “sinh học hệ thống” là một bước phát triển mới để nghiên cứu phân tử và tế bào. Nó là sự hội tụ của các bộ môn khoa học mới và hiện có ( ví dụ, hệ gen học, hệ gen chức năng học, biến dưỡng học, toán học, tính toán và thiết kế sinh học ), nhằm tích hợp toàn bộ các loại hình thông tin sinh học ( ADN, ARN, protein, mạng, tế bào, mô v.v… ). Sinh học hệ thống tích hợp các thông tin này dưới dạng các “môđun phân hệ”, trong đó các nhân tố quan trọng nằm ở giao diện giữa các môđun.

Sinh học hệ thống không phải là mục đích tự thân mà là phương tiện tổng hợp thông tin và đề ra giả định về hoạt động của các quá trình tế bào. Những giả định này vẫn cần được kiểm định bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, sinh học hệ thống giúp các nhà sinh học tinh thông về toán học và các nhà toán học tinh thông về sinh học hợp tác với nhau. Sự hợp tác và tương tác này có vai trò quan trọng để các nhà sinh học nhận biết được những giả định và hạn chế của mô hình toán học. Năm 2003, trường Đại học Harvard do ý thức được tầm quan trọng của cách tiếp cận hệ thống, nên đã thành lập một khoa mới, chú trọng vào sinh học hệ thống. Nhiều trường và tổ chức khác trên thế giới cũng đã thành lập Viện Sinh học hệ thống.

Tiềm năng ứng dụng

Sinh học hệ thống sẽ làm xúc tác đem lại những thay đổi cơ bản cho y tế và các lĩnh vực sinh học nhờ giúp tìm ra ý nghĩa của những dữ liệu sinh học phức tạp. Nó có triển vọng sẽ tạo cơ sở cho ngành y tế dự phòng, thích hợp với từng cá nhân. Nó có khả năng tạo điều kiện vượt qua những ách tắc nghiêm trọng trong phát minh và phát triển liệu pháp, nhờ giúp nhận dạng những quá trình tế bào then chốt.

Sinh học hệ thống cũng giúp tạo ra và đem lại những cơ hội mới cho nông nghiệp và chăn nuôi, nhờ tăng cường hiểu biết về cách thức tương tác của tế bào, sinh vật với môi trường.

4. Các công nghệ nền tảng

4.1. Biến đổi gen (GM)

Công nghệ Biến đổi gen (GM) có mục đích tạo ra các sinh vật có gen được thay đổi một cách nhân tạo ( thường chứa các gen từ loài khác ). Điều này thường được thực hiện bằng cách nối ghép gen với ADN hệ gen nằm trong hạt nhân tế bào trứng mới được thụ tinh. Có thể dùng các dòng tế bào biến gen để tạo ra các sinh vật GM bằng cách truyền nhân (Nuclear Transfer) của chúng vào hợp tử (Zygot).

Biến đổi gen (GM) không chỉ là phương pháp thuận tiện để đẩy nhanh quá trình nhân giống thực vật và động vật thông thường. Nó còn là bộ phận quan trọng trong nghiên cứu y học, trong đó bản chất bệnh tật được khảo sát bằng cách mô phỏng những khiếm khuyết di truyền ở chuột.

Nghiên cứu gen học 30 năm qua đã được hỗ trợ rất lớn nhờ việc sản xuất các sinh vật Biến đổi gen (GM). Do vậy, công nghệ Biến đổi gen (GM) đóng vai trò then chốt trong việc tạo khả năng cho Công Nghệ Sinh Học.

Công nghệ GM gồm 3 cấu phần then chốt :

- Vectơ có chứa vật liệu gen của loài khác;

- Phương pháp cung cấp/dẫn nạp vectơ này vào cơ thể;

- Kiểm soát tình hình biểu hiện của vật liệu gen đưa vào.

Sự lựa chọn các cấu phần này phụ thuộc vào sinh vật mục tiêu và bản chất của việc biến đổi; rõ ràng, nó có ảnh hưởng tới mức độ thành công của sự biến đổi. Công nghệ Biến đổi gen (GM) hiện nay thường không hiệu quả do không được kiểm soát và không chính xác, nền công nghệ này có thể đem lại những kết quả không mong muốn. Hiện đang có những công trình nghiên cứu: (1) Đưa một cách hiệu quả, chính xác, an toàn và ổn định các cải biến gen vào tế bào hoặc cấu trúc tế bào; (2) Đưa các phức thể gen chứ không chỉ một gen. Theo dự báo, không lâu nữa, sẽ hoàn thiện được các công nghệ cung cấp và kiểm soát biểu hiện của vật liệu gen.

Khả năng đưa những phức thể gen vào sinh vật giúp nạp thêm những đường hoá sinh mới, chứ không chỉ một đặc điểm gen duy nhất. Điều này có thể giúp đem lại rất nhiều ứng dụng mới, vì nhiều đặc tính được quan tâm trong nông nghiệp và y học là do nhiều gen tạo thành.

Một lĩnh vực nghiên cứu đang nổi trong GM là giao thoa ARN ( RNAi ). Lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng những mẩu ARN nhỏ, có khả năng làm tê liệt chức năng hoặc giảm mức biểu hiện của gen đặc thù. Nhờ RNAi, các gen được phá vỡ nhanh hơn và đỡ tốn kém hơn so với phương pháp truyền thống, ngoài ra còn thích hợp với những ứng dụng năng suất cao, tạo khả năng phân tích mạng gen.

RNAi cũng cho thấy một sự thay đổi khuôn mẫu. Chỉ cách đây vài năm, mọi người đều cho rằng ARN không tham gia vào chức năng điều chỉnh gen, nhưng hiện nay RNAi đang được sử dụng rất nhiều để nghiên cứu quá trình điều chỉnh gen. Trong tương lai, phương pháp này sẽ được dùng trong liệu pháp và các ứng dụng khác.

4.2. Gen học hoá chất

Gen học hoá chất bao hàm việc sản xuất một số lượng lớn hoá chất có thể gắn kết với protein; trong quá trình thực hiện việc đó, chúng thể hiện chức năng của protein. Đây là một bộ môn mới nổi lên nhờ kết quả của Dự án Hệ gen Người. Mục đích của Gen học hoá chất là sản xuất các hợp chất chỉ gắn kết duy nhất với một protein và làm tê liệt (“Knock out”), nghĩa là phá vỡ chức năng của nó, đồng thời quan sát được ảnh hưởng đó. Không như trường hợp làm tê liệt gen, quá trình này có thể làm đảo ngược và lượng hoá được mức độ gắn kết, nhờ đó nhận được nhiều thông tin hơn về bản chất của mối tương tác. Những ảnh hưởng có khả năng đảo ngược như vậy cho thấy bước tiến bộ quan trọng trong nghiên cứu chức năng gen và protein ở toàn bộ các sinh vật. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các động vật lớn, vì nó liên quan đến vấn đề đạo đức và chi phí.

Ở tế bào, các protein hoạt động trong mạng lưới. Nghĩa là một protein có thể ảnh hưởng tới một số protein khác theo nhiều cách. Mối quan hệ này rất phức tạp và chưa chắc có thể hiểu được nếu chỉ dựa vào các cách tiếp cận quy giản. Ngoài tính phức tạp còn có thêm một yếu tố nữa, đó là số lượng protein lớn hơn nhiều so với gen, đồng thời các nhân tố của biểu sinh học cũng có ảnh hưởng tới hoạt động của gen. Một thuộc tính then chốt của Gen học hoá chất là khả năng làm nhiễu loạn các mođun hoặc mạng lưới, giúp quan sát được bức tranh liên quan trực tiếp với protein đặc thù.

Hiện tại, việc nhận dạng đã tương đối dễ dàng, nhưng hiểu được các chức năng của chúng thì còn khó khăn. Gen học hoá chất sẽ cung cấp phương tiện để phát minh ra các mẫu thử sinh học mới và linh hoạt. Nhờ nhận dạng được các hợp chất có những ảnh hưởng kiểu hình ( phenotype ) hữu ích, cách tiếp cận này có thể giúp chuyển tiếp nhanh trong quá trình đi từ phát minh đến phát triển và cuối cùng là khâu ứng dụng.

Tiềm năng ứng dụng

Gen học hoá chất là bước then chốt tiếp theo của Sinh học phân tử. Sinh học phân tử hiện đang lâm vào bế tắc, bởi lẽ mặc dù nó rất thành công trong việc nhận dạng gen, nhưng lại không tìm ra phương pháp để xác định chức năng gen. Ví dụ, Viện Nghiên cứu Crown ( Niu Dilân ) có một cơ sở dữ liệu toàn diện về các loại gen bò ở trên thế giới ( khoảng 21.000 gen trong tổng số 30.000 ). Tuy nhiên, trong số này chỉ có 7.000 gen là được biết về chức năng. Việc ứng dụng cơ sở dữ liệu này bị hạn chế bởi thiếu phương pháp luận để sàng lọc nhanh chức năng. Gen học hoá chất sẽ giúp khắc phục khó khăn này, do vậy liên kết được thông tin gen với thông tin chức năng.

Kết cấu hạ tầng để nghiên cứu Gen học hoá chất hiện đang được xây dựng. Một phát triển đáng lưu ý nhất là lần đầu tiên trong lịch sử, trường Đại học Harvard và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thành lập một Viện kết hợp ( Broad Institute ) để nghiên cứu Gen học hoá chất, với tổng vốn hoạt động ban đầu là 300 triệu USD.