NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Công nghệ Sinh Học Nano

Lịch sử phát triển

Công nghệ Sinh Học

Công nghệ sinh học thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối những năm 1970 nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước đó . Công nghệ Sinh Học là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại . Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, Công nghệ Sinh Học đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới.

Công nghệ Sinh Học hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.

Công nghệ Nano

Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu. Vào thế kỷ thứ VII trước Công nguyên, Mimnermus, thi gia HyLạp, đã sáng tác bài thơ có tên “nữ hoàng Ναννο”. Đến thế kỷ thứ II sau Công nguyên, ναννο là tên một loại bánh bơ có dầu ôliu, sang thế kỷ thứ III sau Công nguyên thì nó lại mang nghĩa bồn rửa bát đĩa lớn. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm . Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano ( nanotechnology ) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai . Hiện tại trong khoa học, tiền tố Nano biểu thị con số 10 - 9 tức kích thước 1 phần tỷ m .

Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ Nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng ( microfluidic ) và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô µm .

Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa công nghệ Nano là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử” .

Cụ thể hơn, công nghệ Nano là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của công nghệ Nano bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao .

Công nghệ Sinh Học Nano

Công nghệ Nano phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học ( lĩnh vực khoa học “nóng” nhất ) . Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa Công nghệ Sinh Học và Công nghệ Nano bởi lẽ Công nghệ Nano mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép công nghệ Nano đạt được các hệ thống có chức năng mới . Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học . Công nghệ Sinh Học Nano là tập con của công nghệ Nano, nó cũng gần với Công nghệ Sinh Học nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử . Hiện có nhiều cách định nghĩa Công nghệ Sinh Học Nano.

Công nghệ Sinh Học nano là bất cứ ứng dụng nào của công nghệ Nano trong nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới .

Theo NIH, Công nghệ Sinh Học nano là: 1. Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2. Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano.

Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ ( sử dụng công nghệ Nano để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học ), và ‘Bio2Nano’ ( sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ thống kỹ thuật ) .

Hướng nghiên cứu chính

Cùng với sự nở rộ của công nghệ Nano, Công nghệ Sinh Học Nano cũng đang có những bước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của Công nghệ Sinh Học Nano trong nghiên cứu và phát triển :

Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau. • Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống. • Chuyển gene và đột biến điểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ.

Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của Công nghệ Sinh Học Nano. Bảng 1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực Công nghệ Sinh Học nano theo ba hướng nghiên cứu chính là (i) phân tích sinh học; (ii) phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác . Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.

Tiềm năng

Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó.

Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho công nghệ Nano của các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo Công nghệ Sinh Học nano bằng khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng công nghệ Nano cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này ( 30 - 40% ) . Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho công nghệ Nano tập trung vào thiết lập Công nghệ Sinh Học nano . Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào Công nghệ Sinh Học nano lại tăng 313% . Sự tăng trưởng này do hai yếu tố chủ chốt : các ưu đãi của chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học . Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong Công nghệ Sinh Học Nano .

Mặc dù Mỹ chiếm gần 1/3 tổng chi cho Công nghệ Nano toàn cầu . Các quốc gia khác cũng không đứng ngoài cuộc, sau 3 năm kể từ khi cựu tổng thống Mỹ Bill Clinton thành lập NNI, 35 quốc gia khác đã xây dựng các chương trình trong công nghệ này . Năm 2004, chính phủ Mỹ chi 847 triệu USD cho Công nghệ Nano trong khi đó Nhật và liên minh Châu Âu cũng chi không kém. Thái Lan đang ở giai đoạn giữa của chương trình Công nghệ Nano quốc gia 6 năm với tổng ngân sách 620 triệu USD . Anh là quốc gia cuối cùng tăng chi tiêu trong công nghệ nano, được giới thiệu vào tháng 6 một sự gần như gấp đôi cam kết của nó với £90 ( $141 ) triệu cho quỹ MicroNanoTechnology Network . Ngân sách đầu tư cho Công nghệ Nano của chính phủ một số nước được thể hiện trong bảng 2.

Theo National Science Foundation, thị trường Công nghệ Sinh Học Nano sẽ đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006 .

Không nằm ngoài vòng xoáy chung, Việt Nam cũng đã và đang chú trọng vào công nghệ Nano. Năm 2004, vốn đầu tư vào môi trường và công nghệ Nano đã tăng hơn 50% so với năm 2003 .

Trong lĩnh vực đào tạo, Đại Học Quốc Gia TP HCM , Đại Học Bách Khoa TP HCM , Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên và Đại học Công nghệ trực thuộc Đại Học Quốc Gia Hà Nội , Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã và đang nghiên cứu, đào tạo về công nghệ Nano.

Khu công nghệ cao TP HCM cũng tập trung đẩy mạnh Công nghệ Nano . Trong triển khai thực tiễn, thành công rực rỡ nhất của công nghệ Nano tại Việt Nam là chế tạo thành công than Nano "lỏng" ứng dụng làm pin nguyên liệu, chế tạo vi mạch . Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cấu trúc Nano đa lớp, vật liệu từ có cấu trúc Nano và đã chế tạo thành công cảm biến Nano dùng để xác định nồng độ khí gas hoá lỏng . Khu công nghệ cao TP.HCM cũng đang hợp tác với trung tâm nhiệt đới Việt Nga để chế tạo mặt nạ sinh học dùng than nano , giấy và mực Nano .

Tuy nhiên, Công nghệ Sinh Học Nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Trong lĩnh vực đào tạo, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội mới có dự thảo chương trình đào tạo thạc sỹ về Công nghệ Sinh Học Nano. Tại đây cũng bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc hướng đích. GS. Phạm Thị Trân Châu ( Trung tâm Công nghệ Sinh Học - Đại Học Quốc Gia Hà Nội ), PGS. Nông Văn Hải ( Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam ) và GS. Nguyễn Hữu Đức ( Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội ) đang thảo luận để khởi động kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt Nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh .

Nói chung, Công nghệ Sinh Học Nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt những viên gạch móng đầu tiên.