Sinh học tổng hợp đang sản xuất ra các hóa chất xanh hơn, nền nông nghiệp chống chịu với biến đổi khí hậu và tái sử dụng chất thải thực phẩm như thế nào
Một lò phản ứng sinh học được sử dụng để lên men etanol từ chất thải lõi ngô có thể được thiết kế lại để sản xuất ra các vật liệu phức tạp hơn. Nguồn: USDA qua CC0-1.0
Kể từ khi công nghệ DNA tái tổ hợp được phát triển cách đây 50 năm – tiên phong tại Stanford – chúng ta đã chứng kiến sự trỗi dậy của các liệu pháp đột phá đã thay đổi vô số cuộc sống. Vậy thì, 50 năm nữa công nghệ sinh học có thể làm gì để hỗ trợ sức khỏe của hành tinh chúng ta?
"Sinh học tổng hợp thúc đẩy khả năng thiết kế các hệ thống sống của chúng ta để giải quyết một số thách thức lớn nhất về tính bền vững của thế giới, cho phép chúng ta suy nghĩ lại về cách chúng ta đáp ứng nhu cầu của con người trên quy mô toàn cầu", Michael C. Jewett, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Khoa Kỹ thuật và Y học cho biết.
Trong phần Hỏi & Đáp này, Jewett sẽ giải thích một chút về bối cảnh của lĩnh vực này và các dự án thú vị đang được triển khai để tạo ra các giải pháp mới cho sức khỏe của hành tinh.
Michael Jewett Tín dụng: Steve Fisch Photography
Sinh học tổng hợp là gì?
Sinh học tổng hợp là một lĩnh vực sử dụng các nguyên tắc kỹ thuật để nâng cao khả năng xây dựng bằng sinh học của chúng ta. Tương tự như cách các nhà phát triển phần mềm viết mã để hướng dẫn máy tính, các nhà sinh học tổng hợp viết DNA để hướng dẫn các hệ thống sinh học thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Điều tuyệt vời là, không giống như các chương trình máy tính, sinh học không chỉ là về bit (tức là thông tin), mà là về bit và nguyên tử ... và bạn có thể xây dựng mọi thứ bằng các nguyên tử. Bây giờ chúng ta có thể thiết kế các hệ thống sinh học để giải quyết nhiều nhu cầu khác nhau bằng cách tổng hợp hoặc xây dựng các hệ thống sinh học - từ vật liệu có thể phân hủy đến liệu pháp tế bào cho đến tương lai của thực phẩm.
Ví dụ về một sáng kiến sinh học tổng hợp có tác động tích cực đến môi trường là gì?
Một ví dụ là chuyển đổi carbon trong khí quyển thành các sản phẩm có giá trị. Hầu hết mọi thứ xung quanh chúng ta, từ giày dép, áo phông polyester và bàn chải đánh răng, đến sơn trên tường, đều được làm từ các hóa chất gốc carbon có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, giải phóng CO₂ vào khí quyển khi được tạo ra. Nếu chúng ta có thể dạy vi khuẩn cách thu giữ carbon trong khí quyển và biến nó thành vật liệu có giá trị, chúng ta có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Hợp tác với Lanzatech, phòng thí nghiệm của tôi đã học cách chế tạo một loại vi khuẩn có tên là Clostridium để tiêu thụ carbon dioxide và sản xuất ra các hóa chất bền vững. (Tiết lộ đầy đủ: Tôi là thành viên ban cố vấn khoa học của Lanzatech.) Chúng tôi chế tạo những loại vi khuẩn này để sản xuất ra các hóa chất được sử dụng trong mọi thứ, từ chất khử trùng đến nhiên liệu máy bay.
Quá trình này diễn ra như thế nào?
Hãy nghĩ về nó giống như việc trao cho một nhân vật trong trò chơi điện tử những siêu năng lực mới. Chúng tôi chế tạo Clostridium bằng cách đưa vào các gen cho phép vi khuẩn có những khả năng mới, chẳng hạn như sản xuất ra các hóa chất hữu ích. Khi những vi khuẩn này phát triển, chúng tiêu thụ carbon trên mặt đất và tái chế thành các hóa chất như acetone hoặc isopropanol. Không giống như các quy trình truyền thống dựa trên dầu mỏ thải ra CO₂, các vi khuẩn được chế tạo của chúng tôi sẽ khóa CO₂ vào chính sản phẩm. Đối với mỗi kilôgam sản phẩm được tạo ra, có khả năng loại bỏ tới 1,5 kilôgam CO₂ khỏi khí quyển. Sinh vật cơ bản được sử dụng có trong tự nhiên ở nhiều môi trường khác nhau và thường được coi là an toàn, giống như nấm men thông thường.
Chúng ta có thể thiết kế sinh học theo những cách nào khác để giải quyết các thách thức về tính bền vững?
Sinh học tổng hợp hứa hẹn sẽ giải quyết một số thách thức cấp bách nhất về tính bền vững trong nhiều lĩnh vực.
Sản xuất hóa chất thường dựa vào các phản ứng đòi hỏi hóa chất độc hại và nhiều năng lượng. Phòng thí nghiệm của tôi đang thúc đẩy hóa học xanh bằng cách khám phá các cách thiết kế enzyme có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học trong điều kiện nhẹ hơn, giảm mức tiêu thụ năng lượng và nhu cầu về dung môi độc hại, đồng thời làm cho các quy trình công nghiệp thân thiện với môi trường và bền vững hơn.
Vayu Hill-Maini, phó giáo sư về kỹ thuật sinh học, sử dụng sinh học tổng hợp để thiết kế vi sinh vật nhằm chuyển đổi các sản phẩm thải thành thực phẩm giàu protein. Điều này tạo ra các giải pháp mới cho an ninh lương thực toàn cầu ở những khu vực có nguồn tài nguyên lương thực hạn chế. Công trình này có thể cách mạng hóa cách chúng ta suy nghĩ về sản xuất lương thực, biến những thứ vốn bị vứt bỏ thành một nguồn tài nguyên có giá trị.
Jenn Brophy, phó giáo sư về kỹ thuật sinh học, sử dụng sinh học tổng hợp để phát triển nông nghiệp bền vững. Jenn đang thiết kế thực vật để chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như hạn hán và nhiệt độ khắc nghiệt, những điều này đang trở nên thường xuyên hơn khi nhiệt độ toàn cầu tiếp tục tăng. Cô ấy thực hiện điều này bằng cách phát triển các mạch di truyền tổng hợp lập trình lại sự phát triển của cây trồng và tạo ra các loại cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn.
Các giáo sư Chris Francis và Soichi Wakatsuki đang nghiên cứu về quá trình nitrat hóa trong đất nông nghiệp. Hiện tại, chúng ta phụ thuộc vào phân bón gốc nitơ để tăng năng suất nông nghiệp nhằm nuôi sống thế giới, nhưng nitơ đó cũng bị vi sinh vật tiêu thụ. Điều đó có nghĩa là sản xuất cây trồng kém hiệu quả hơn và tăng lượng khí thải nhà kính. Chris và Soichi đang nghiên cứu để sản xuất amoniac hoạt tính enzyme ooxygenase và chất ức chế nitrat hóa cải tiến để kiểm soát quá trình vi sinh này. (Chris là giáo sư khoa học hệ thống Trái đất và đại dương, còn Soichi là giáo sư khoa học photon và sinh học cấu trúc.)
Bạn hào hứng nhất về ứng dụng sinh học tổng hợp nào trong phát triển bền vững?
Tôi hào hứng với việc tận dụng sinh học để đẩy nhanh quá trình thu giữ carbon trên quy mô lớn. Ngoài vi khuẩn được thiết kế, phòng thí nghiệm của tôi cũng đang khám phá các enzyme tự nhiên, như anhydrase carbonic, có khả năng chuyển đổi hiệu quả CO₂ thành cacbonat ổn định (như đá). Thách thức là làm cho các enzyme này đủ ổn định và hiệu quả để loại bỏ carbon trên quy mô lớn. Nếu chúng ta có thể thành công, điều này có thể loại bỏ CO₂ khỏi khí quyển nhanh hơn hàng nghìn lần so với các quá trình tự nhiên.
Việc kết hợp máy học với sinh học tổng hợp cũng khiến tôi hào hứng. Chúng ta có thể sử dụng máy học để đẩy nhanh quá trình thiết kế protein có chức năng cụ thể. Ví dụ, chúng tôi đang phát triển các enzyme sẽ thay đổi cách chúng ta tạo ra các hóa chất bền vững.
