Tài liệu Sinh học tổng hợp

và chỉ ra các xu hướng tổng hợp chuyển hóa thực vật, và do đó nó là một bước thiết yếu để hướng đến việc ứng dụng các tiềm năng của sinh học tổng hợp (Facchini và cộng sự, 2012). Việc lắp ráp các con đường chuyển hóa trong các loại men, trong trường hợp đặc biệt, có thể góp phần khám phá ra các chức năng gen, đặc biệt là khi không thể biểu thị đặc điểm của enzym trong phòng thí nghiệm (in vitro), để tối ưu hóa hiệu quả của con đường chuyển hóa, và cũng được xem như là nền tảng sinh hóa tổ hợp để tạo ra các phân tử mới trong các loại thực vật. Sự quan tâm đối với kỹ thuật chuyển hóa thực vật đang ngày càng tăng khi mà các loài thực vật được cho là kho chứa khổng lồ các tinh chất có hoạt tính sinh học tự nhiên rất quan trọng cho ngành sản xuất dược phẩm và công nghệ sinh học (Xu và cộng sự, 2013). Các sản phẩm này hiện nay chủ yếu được chiết xuất từ các nguồn thực vật địa phương hoặc bán tổng hợp từ các sản phẩm trung gian đã phân chiết. Hiệu suất của cả hai quy trình này thấp và quy trình tinh chế sản phẩm đầu ra cuối cùng phức tạp. Quá trình tổng hợp có thể cần phải dùng đến chất xúc tác độc hại hoặc cần phải có các điều kiện phản ứng đặc biệt. Kỹ thuật cải biến con đường chuyển hóa vi sinh vật là một phương pháp có thể khắc phục được những giới hạn này, và mang đến tiềm năng ứng dụng các vi sinh vật có khả năng biến đổi gen. Khi ngày càng nhiều bộ phận trong hệ gen và các thiết bị đã được mô tả rõ đặc điểm (thí dụ các thư viện lưu trữ chất hoạt hóa tổng hợp hoặc các nơi thực hiện liên kết ribosome tổng hợp luôn sẵn có) và chi phí tổng hợp ADN ngày càng giảm, có thể dễ dàng thiết kế và tạo ra các nhà máy tế bào thiết kế riêng biệt có năng suất cao, có khả năng chế tạo ra các sản phẩm và nhiên liệu tự nhiên. Do đó không có gì đáng ngạc nhiên khi một trong những ứng dụng tiềm năng lớn của sinh học tổng hợp sử dụng các nguồn thực vật là quá trình tái thiết con đường chuyển hóa tổng hợp sinh học thực vật trong các vật chủ khác loài (Li và Pfeifer 2014). Giống như các codon có thể được tối ưu hóa hoặc loại bỏ được các chuỗi trình tự không cần thiết. Cách tiếp cận này cho thấy một trong những ưu điểm quan trọng nhất của sinh học tổng hợp so với kỹ thuật trao đổi chất “đơn giản” đó là có thể sản xuất với năng suất cao. Việc lựa chọn một trong hai con đường chuyển hóa sẵn có mà đã được tối ưu hóa cũng sẽ có khả năng thiết kế được một con đường chuyển hóa nào đó từ chức năng của các gen/enzym đã biết. Mục tiêu chính là có thể cung cấp được các mô hình tiếp cận nhanh chóng và thiết thực cho đến các hợp chất mong muốn. Trong bối cảnh này, sinh học tổng hợp đóng vai trò cốt yếu trong việc cải thiện quá trình biểu hiện gen và tăng năng suất. 41 Men (Saccharomyces cerevisiae) là vi sinh vật sẽ được chọn lựa để có thể tái cấu trúc các con đường chuyển hóa thực vật phức tạp. Lý do lựa chọn loại men này là do nó có các mô hình chuyển hóa ở cấp bộ gen và các nguồn gen luôn sẵn có, và quan trọng hơn đó là việc tối ưu hóa biểu hiện và hoạt tính của các enzym thực vật cần đòi hỏi có các tế bào sinh vật nhân chuẩn. Các vật chủ vi sinh vật có thể điều chỉnh để tạo ra đầy đủ các cấp độ của các tiền chất trao đổi chất và là điểm khởi đầu để từng bước cho ra đời các gen thực vật để sản xuất các sản phẩm trung gian trong phạm vi con đường chuyển hóa mục tiêu đến việc tạo ra các con đường chuyển hóa mới. Các thách thức bao gồm việc tìm ra lựa chọn các yếu tố điều tiết tối ưu để tối ưu hóa con đường chuyển hóa liên tục cũng như khắc phục những hạn chế do hành vi động học của các hệ thống sinh học phức tạp. Mặc dù có những thách thức như vậy, cả vi khuẩn Escherichia coli và Saccharomyces cerevisiae đều đã được ứng dụng thành công trong sản xuất axit béo, terpenoid, flavonoid, polyketides và alkaloids. Ngoài vi khuẩn Saccharomyces cerevisiae và Escherichia coli, Candida utilis, Streptomyces avermitilis và Bacillus subtilis còn được sử dụng như những vật chủ di hợp để sản xuất các sản phẩm đồng vị phóng xạ có nguồn gốc thực vật, như lycopene từ cà chua, artemisin chống sốt rét từ Artemisia annua và paclitaxel (taxadiene) với các đặc tính chống ung thư từ Taxus brevifolia. Một ví dụ khác là sản xuất isoprenoids ở Escherichia coli. Các ứng dụng tiên tiến của vi sinh vật trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học Chất trao đổi của nấm men được biến đổi thành hydrocacbon đặc biệt hoặc tạo ra phân tử nhắm đích là chất farnesene. Nấm men sử dụng đường như chất dinh dưỡng và là nguyên liệu cho nhà máy tế bào (Amyris 2014). Nó có thể được thiết kế theo cách biến đổi trực tiếp đường thành sản phẩm isobutan sinh học đích cuối cùng và là xăng octane cao (PCSBI 2010, Bioenergies 2014). LS9 đã phát triển một công nghệ nền sử dụng hiệu quả tự nhiên của sự tổng hợp axit béo của vi sinh vật để tạo ra nhiều loại nhiên liệu và hóa chất. Các vi sinh vật được biến đổi bằng sinh học tổng hợp cho phép thực hiện chuyển đổi chỉ cần một bước carbohydrate tái tạo (đường) thành diesel hoặc este methyl axit béo và một alkane (BIO 2013). Để đạt được điều này, các gen tổng hợp sinh học của alkane được biến đổi thành Escherichia coli. Cách tiếp cận khác để ứng dụng sinh học tổng hợp là sản xuất các nền tảng công nghệ xử lý sinh học thống nhất để tiếp tục ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học. Quá trình này hoạt động thông qua các vi sinh vật đã được thiết kế để tạo ra các đặc tính mà có thể cho phép chúng phân hủy thực vật, sinh khối và chuyển đổi nó thành hydrocarbons có các đặc tính của nhiên liệu sinh học tiên tiến. Các yêu cầu đối với một 42 sinh vật như vậy là đa dạng con đường chuyển hóa để sản xuất hydrocarbon và khả năng tạo ra enzyme đủ để thủy phân cellulose và hemicellulose hiệu quả. Một ví dụ trong lĩnh vực nghiên cứu này là việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ cỏ kê Mỹ (Panicum viragtum L.) sử dụng Escherichia coli, mà không cần thêm enzyme. Một ví dụ khác là cyanobacteria để chuyển carbon dioxide, nước chưa xử lý và ánh sáng mặt trời thành hydrocacbon lỏng có chức năng tương đương dầu diesel và ethanol (sáng chế số 7.981.647 và 7.968.321 của Mỹ). 3.3.2. Đánh giá các ứng dụng hiện nay trong các hệ thống mô phỏng thực vật và thực vật bậc cao Nhiều nỗ lực tập trung vào việc thao tác đặc điểm sinh lý và con đường chuyển hóa của các loài tảo và thực vật bậc cao để sản xuất ra các sản phẩm và hợp chất mong muốn, trong đó hiện các nhiên liệu sinh học (bioethanol, biodiesel và H2) và dược phẩm đang thu hút sự quan tâm lớn nhất. Trong bối cảnh này, các cách tiếp cận sinh học tổng hợp cũng cho phép tạo ra các hợp chất với các tính chất hóa học mới. Không chỉ Prokaryotic (cyanobacteria) mà tảo eukaryote cũng có thể là một sinh vật mục tiêu để sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (ví dụ butanol thông qua quang hợp); chúng có nhiều lợi thế có thể sử dụng trong phản ứng sinh học (quang) (không cần đất canh tác) và có thể được lập trình để không cần nước ngọt. Ngoài nhiên liệu sinh học, tảo cũng có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm liên quan đến dược phẩm như axit béo omega-3, ví dụ: DHA (docosahexaenoic acid) và EPA (axit eicosapentaenoic), ARA (axit arachidonic, axit béo omega-6), chất diệp lục, carotenoid, phycocyanin, allophycocyanin, phycoerythrin,. Dùng tảo để tạo ra các hợp chất mong muốn Do việc thao tác gen phân tử của tảo eukaryotic và/hoặc tảo lam prokaryotic dễ hơn so với các loài thực vật bậc cao nên lĩnh vực này đang phát triển nhanh hơn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm sản xuất nhiên liệu sinh học, cuối cùng là chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu. Nó cũng có thể được sử dụng để thay thế việc sản xuất sinh khối trên đất canh tác và thay vì sử dụng nước ngọt, có thể dùng biển, nước ngầm, thậm chí là nước thải. Nhiên liệu sinh học và các sản phẩm phụ có thể được tổng hợp từ nhiều loại tảo khác nhau. Việc sử dụng tảo và vi tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học là một ứng dụng hấp dẫn do chúng có khả năng tích lũy lượng lipid cao và do hàm lượng tinh bột cao nên là một nguồn dự phòng tốt cho quá trình sản xuất ethanol sinh học. Thêm vào đó, chúng có thể được nuôi cấy với chế độ dinh dưỡng rẻ tiền, có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn so với thực vật trên cạn và có khả năng tạo sinh khối cao. Vì chúng có thể thay thế cho các loại cây trồng nhiên liệu sinh học hiện nay, ví dụ như đậu tương, ngô, hạt cải dầu và các nguyên liệu lignocellulosic, nên chúng cũng có thể thích ứng được các môi trường kém 43 thuận lợi hơn (đất không phù hợp cho nông nghiệp, nước biển và nước lợ ven biển), thêm vào đó nó có thể là biện pháp xử lý chất thải dự phòng. Vi tảo có thể phát triển bằng phương pháp tự dưỡng (quang hợp trong điều kiện ánh sáng thích hợp), dị dưỡng (không có ánh sáng, đòi hỏi nguồn carbon hữu cơ), và hỗn hợp (sự kết hợp của quang hợp và nguồn carbon bên ngoài). Sau cùng, nó có khả năng thích ứng với loài vi khuẩn. Vi tảo được thu hoạch bằng phương pháp ly tâm, kết bông, rửa trôi, hoặc lọc. Các kỹ thuật nuôi trồng tảo và vi tảo bao gồm các hệ thống ao hồ lộ thiên có thể là tự nhiên như hồ, đầm phá, ao hoặc nước thải, ao nhân tạo, hoặc các thùng chứa và két. Ao lộ thiên là cách phổ biến nhất và rẻ nhất để sản xuất sinh khối quy mô lớn và đặc biệt dùng để nuôi dưỡng các giống có hàm lượng dầu cao. Tuy nhiên, các hệ thống lộ thiên cũng đòi hỏi cần có hệ thống kiểm soát chặt chẽ để tránh ô nhiễm, bốc hơi nước, chất gây ô nhiễm, vi khuẩn xâm nhập và nguy cơ phát triển các loài tảo khác. Kích thích tăng trưởng là cần thiết, ít nhất là khi gần cuối giai đoạn tăng trưởng do tỷ lệ bề mặt và khối lượng tiềm ẩn thấp và sự khuếch tán CO2 vào khí quyển. Ngoài ra, các bể phản ứng sinh học-quang học khép kín sẽ tạo ra một môi trường được kiểm soát có thể tạo ra mật độ tế bào cao hơn và cho phép sản xuất các dược phẩm, dinh dưỡng và mỹ phẩm tinh khiết. Nhược điểm chính của hệ thống khép kín là chi phí cao (xây dựng, khử trùng) và khu vực chiếu sáng nhỏ. Có thể lựa chọn phương pháp nuôi cấy lai để cân bằng những lợi thế và khó khăn trong cả hai hệ thống này. Tảo là một trong những nguồn nhiên liệu sinh học bền vững đầy tiềm năng trong lĩnh vực năng lương tái tạo trong tương lai. Một số lĩnh vực nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu sinh học dựa trên tảo và vi tảo, đã được chính thức phân loại là thực vật bậc thấp hơn và vi khuẩn cyanobacteria, đây là loài vi khuẩn có khả năng quang hợp oxy. Lipid, chẳng hạn như triacylglyceride (TAG), và carbohydrate, được chiết xuất từ tảo, có thể được sử dụng làm nguồn để chế biến thành dầu diesel sinh học và ethanol. Tảo thường được biến đổi gen để có thể cho phép thích ứng với quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học nông nghiệp và công nghiệp. Do đó công cụ sinh học tổng hợp cũng bao gồm trong sản xuất lipid và tảo sinh khối và tiếp tục các chiến lược tối ưu hóa cho các công cụ này. Thách thức là làm thế nào phát hiện ra chủng tảo lý tưởng cho việc sản xuất có hiệu quả năng lượng sinh học và hoạt động quang hợp và thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ, ánh sáng, độ mặn và mầm bệnh trong hệ thống nông nghiệp. Các loại tảo biển lớp Chlorophyceae, Eustigmatophyceae (f.i Nannochloropsis sp.) và Haptophyceae được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học và các hóa chất hữu cơ công nghiệp khác nhưng nhiều loại tảo và các vi khuẩn cyanobacteria hoạt tính quang 44 hợp khác được dùng trong thử nghiệm tìm kiếm những ứng cử viên nhiên liệu sinh học tiếp theo. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối Các nỗ lực để nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và sản xuất nhiên liệu sinh học từ chất thải nông nghiệp phi lương thực sử dụng các kỹ thuật sinh học tổng hợp các loại nguyên liệu như thân cây ngô, rơm, củ cỏ, cỏ dại, gỗ dăm và các loại cây sinh khối chuyên dụng như mía, ngô, ngũ cốc và cỏ dại. Mục tiêu là sản xuất nhiên liệu và các sản phẩm hóa học có giá trị khác từ các vật liệu ban đầu đơn giản, rẻ tiền và có khả năng tái tạo một cách bền vững. Nhiều phương pháp sinh học tổng hợp dùng thay thế các phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học hiện nay bao gồm sản xuất xenluloza ethanol (có nguồn gốc từ vỏ tế bào chứ không phải là ngô) và sản xuất các loại rượu có nguồn gốc sinh học. Các loại rượu nguồn gốc sinh học có tiềm năng rất lớn, được làm bằng sinh học tổng hợp và được dùng để sản xuất butanol. Giống như ethanol, butanol được sản xuất bằng quá trình lên men đường và tinh bột hoặc nhờ quá trình phân hủy cellulose. Các công ty và tổ chức, như Agrivida, Amyris, JBEI, British Petroleum, DuPont, Gevo, Global Bioenergies, LS 9, Inc., đã thử nghiệm và ứng dụng thành công phương pháp sinh học tổng hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiệu quả trong sản xuất năng lượng sinh học có thể tăng lên khi điều chỉnh các thành tế bào thực vật để tăng khả năng tiêu sinh khối lignocellulosic. Agrivida đã tạo ra được công nghệ kỹ thuật phân tử INzymeTM độc quyền. Các enzyme biến đổi có thể cho phép chuyển đổi hiệu quả đáng kể thành tế bào thực vật thành đường thông qua quá trình tạo ra các enzym ngủ đông, sau đó các enzym này sẽ được kích thích phát triển khi vào mùa thu hoạch lúa mỳ, ngô.... Các enzym đã được biến đổi này có thể tăng phạm vi sinh khối rộng hơn và hiệu quả hơn, do đó có thể tận dụng các chất thải nông nghiệp như thân cây và rơm, và gỗ để sinh khối. Một số nhiên liệu sinh học hiện có sẵn dưới dạng có sản phẩm (ngắn hạn), phát triển thí điểm (trung hạn) và được kỳ vọng trong tương lai, khi các công ty đã xác định được mục tiêu phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực này. “Cây phát sáng” (Glowing plants) Một nghiên cứu sâu hơn cho ứng dụng các công nghệ kỹ thuật sinh học tổng hợp được thấy rõ trong thiết kế/ công nghệ tạo ra cây phát sáng. Trong dự án có tên là "Thực vật phát sáng", các kỹ thuật sinh học tổng hợp và phần mềm của Genome Compiler dùng cho việc thiết kế và "in" ADN, được sử dụng cho các quá trình chuyển đổi của vi khuẩn Arabidopsis thaliana. Các quá trình này sẽ dẫn tới quá trình sản xuất luciferase và luciferin, chúng phát ra ánh sáng yếu, màu xanh lá cây khi có các mạch di truyền từ đom đóm. Cuối cùng quá trình tạo ra cây này được đặt tên là "Thực vật phát sáng". Pollack 45 (2013) cũng tăng ý tưởng này thêm một giai đoạn nữa đó là phát triển của các loài cây phát sáng này để có thể thay thế đèn chiếu sáng trên đường và những loài hoa trồng trong chậu thì sẽ có khả năng phát sáng đủ để có thể đọc sách. Tuy nhiên, những lo ngại về sự phát tán không được giám sát và kiểm soát các sinh vật / thực vật sinh học tổng hợp như vậy chưa có hệ thống quy định nào can thiệp vào trường hợp này. 3.3.3. Các ứng dụng đang xuất hiện Sinh học tổng hợp không chứa tế bào để thay thế nuôi cấy tế bào thực vật Nuôi cấy tế bào thực vật cho phép tạo ra được các chất chuyển hóa thứ cấp bền vững nhưng điều này tạo ra thách thức bởi sản lượng thấp. Sự biến đổi trong nuôi cấy tế bào là một trong những yếu tố quan trọng điều chỉnh chuyển hóa và quá trình tạo ra protein. Nói cách khác, sinh học tế bào tự do là một tiềm năng để sản xuất ra các hợp chất mong muốn và để kết hợp chặt chẽ các axit amin phi tự nhiên đã được mã hóa mà không bị giới hạn và không cần thiết phải có các tế bào sống nguyên vẹn. Các ứng dụng gần đây của lĩnh vực sinh học tổng hợp không chứa tế bào bao gồm sản xuất kháng thể (trong các hệ thống có nền tảng là prokaryote và eukaryote), dược phẩm (ví dụ như vắc-xin chống lại bệnh lymphoma và sốt rét) hoặc các chất xúc tác sinh học như hydrogenase và lipase. Cuối cùng, việc kết hợp các axit amin phi tự nhiên sẽ mang đến một số ứng dụng chẳng hạn như tạo ra sự tương tác ligand-protein,các liệu pháp điều trị bằng sinh học và phân tích sinh học. Những biểu hiện tạm thời của sinh học tổng hợp trong các loài thực vật Các hệ thống biểu hiện tạm thời và sự biến đổi được kiểm soát của chúng là những công cụ quan trọng trong sinh học tổng hợp thực vật. Sự biến đổi tạm thời của các mô thực vật là rất nhanh và việc sản xuất các protein tái tổ hợp hoặc các sản phẩm có hoạt tính của chúng rất bền, và sản lượng tạo ra có thể cho phép tiến tới sản xuất thương mại. Các mục tiêu hấp dẫn là việc tạo ra các triterpenes (tiền chất steroid trong cả thực vật và động vật) có nhiều phạm vi ứng dụng thương mại tiềm năng (dược phẩm, thực phẩm và công nghiệp hóa mỹ phẩm,...) nhưng khó thực hiện với sinh học tổng hợp và có ít trong thực vật. Một ví dụ khác là sản xuất các chất trung gian trong quá trình sinh tổng hợp thuốc chống sốt rét artemisinin. Mới đây, con đường chuyển hóa đã có bước tiến lớn. Cụ thể là việc sản xuất các hợp chất thơm dhurrin phụ thuộc vào ánh sáng trong các lạp lục (chloroplast) được xem là ví dụ điển hình của khai thác quang hợp trong sinh học tổng hợp. Nhiễm sắc thể siêu nhỏ được thiết kế trong các loài thực vật Giống như ở nấm men và động vật có vú, nhiễm sắc thể nhân tạo có thể tạo ra bằng cách sử dụng các phương pháp tiếp cận từ dưới lên hoặc từ trên xuống để được đưa vào 46 các loài thực vật. Các ứng dụng trong tương lai được đề xuất bao gồm thiết kế các nhiễm sắc thể theo các đặc điểm mong muốn và thiết kế chúng theo cách có thể chuyển từ thế hệ này sang các thế hệ kế tiếp, đảm bảo chuyển giao hiệu quả đến hầu hết các thế hệ con. Bằng cách chuyển các nhiễm sắc thể mini từ chất gây cảm ứng haploid tới các dòng mục tiêu, rào cản liên kết có thể được loại bỏ. Các nhiễm sắc thể mini có thể được đưa vào một số loài khác nhau, mang nhiều tính chất có lợi như toàn bộ con đường sinh hóa dẫn đến sự thích nghi và cải tiến của cây trồng thực địa (ví dụ kháng sâu bệnh, phẩm chất dinh dưỡng, năng suất ...). Ngoài Arabidopsis ra, kỹ thuật đưa thành công nhiễm sắc thể mini vào các loài thực vật trọng điểm như ngô, trong đó nhiễm sắc thể dư thừa hay nhiễm sắc thể B là mục tiêu chính do sự biến đổi của chúng làm thay đổi kiểu hình. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc sửa đổi các nhiễm sắc thể trong cơ thể và tránh các vấn đề tiềm tàng trong quá trình giảm phân. “Lá cây nhân tạo”- dùng năng lượng mặt trời như năng lượng sinh học để sản xuất nhiên liệu mặt trời Một nhánh của sinh học tổng hợp là phương pháp quang hợp nhân tạo, hay tạo ra các thực vật hấp thụ hiệu quả hơn năng lượng mặt trờivà trực tiếp chuyển đổi nó thành nhiên liệu. Trong phạm vi này, thiết kế “lá cây” nhân tạo đã được đề xuất, với khái niệm chính là sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra hydro và các nhiên liệu khác có hiệu quả hơn nhiều so với tạo sinh khối từ lá cây thật. Các nhà nghiên cứu ở Anh hiện tập trung chính vào việc chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành “nhiên liệu mặt trời” bằng cách nỗ lực sử dụng các phản ứng hóa học tương tự như quang hợp nhưng trong một hệ thống nhân tạo và sản xuất những loại nhiên liệu lỏng gốc carbon thông qua các công cụ sinh học tổng hợp. Trung tâm quang hợp nhân tạo California đã tập trung vào việc thiết kế lá cây nhân tạo nhờ vào cấu trúc của hai điện cực được nhúng hoàn toàn trong dung dịch lỏng. Mỗi điện cực gồm một vật liệu bán dẫn được lựa chọn kỹ lưỡng để thu năng lượng ánh sáng từ một phần cụ thể trong vùng quang phổ mặt trời. Quá trình này sử dụng các photon từ ánh sáng mặt trời để phân tách các phân tử nước thành oxy và hydro để có thể sử dụng làm nhiên liệu. Ngoài ra còn có những nghiên cứu tương tự về việc ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất các nhiên liệu thay thế, bao gồm những phát triển ứng dụng trong lĩnh vực nhiên liệu năng lượng mặt trời, HyperSolar photoabsorbers hoặc quá trình hóa học quang hợp nhân tạo. Khái niệm về quang hợp nhân tạo giống nhau trong mọi cách phương pháp tiếp cận, đó là: sử dụng nguồn năng lượng lớn nhất là mặt trời, kết hợp tích trữ năng lượng trong 47 nhiên liệu hóa học. Thách thức ở đây chính là việc tối ưu hóa tất cả các bước sản xuất ở giữa và sử dụng ánh sáng một cách hiệu quả nhất. IV. ĐÁNH GIÁ RỦI RO VÀ QUẢN LÝ RỦI RO 4.1. Các phương pháp đánh giá rủi ro hiện tại Các phương pháp tiếp cận hiện tại đối với việc đánh giá rủi ro cây biến đổi gen ở Liên minh châu Âu (EU) được xác định bằng các văn bản hướng dẫn của EU và hướng dẫn của Cơ quan An toàn Thực phẩm châu Âu (EFSA) và đối phó với việc tiếp thị thực phẩm và thức ăn nuôi, sử dụng cho các mục đích ngoài lương thực và thức ăn chăn nuôi, và phóng thích vào môi trường (EFSA 2011, 2010a, 2009, EC 2001, 2003, 2013). Đánh giá rủi ro được đặc trưng bởi bốn bước khác nhau: xác định nguy cơ, mô tả đặc tính nguy cơ, đánh giá phơi nhiễm và mô tả đặc tính rủi ro. Ngoài ra, các yếu tố sau là một phần của thủ tục đánh giá rủi ro hiện tại: I) Đánh giá rủi ro cây biến đổi gen (GM) và thực phẩm và thức ăn chăn nuôi (EFSA 2011): - Đặc điểm sinh vật hiến và cây nhận - Thay đổi gen và các hậu quả về chức năng của chúng - Các đặc điểm nông học và kiểu hình của cây GM - Đặc điểm về thành phần của cây GM và thức ăn và thức ăn có nguồn gốc - Độc tính tiềm ẩn và dị ứng của sản phẩm gen (protein, chất chuyển hóa) và toàn bộ cây GM và các sản phẩm có nguồn gốc từ đó. - Chế độ ăn uống và tiềm năng tác động dinh dưỡng - Ảnh hưởng của quá trình chế biến và lưu trữ lên các đặc tính của sản phẩm từ cây GM. ii) Đánh giá rủi ro môi trường của cây GM (EFSA 2010a): - Sự tồn tại và xâm lấn bao gồm dòng di chuyển gen từ cây sang cây - Chuyển gen thực vật sang vi sinh vật - Tương tác của cây GM với các sinh vật mục tiêu - Tương tác của cây GM với các sinh vật không phải là mục tiêu - Tác động của kỹ thuật canh tác, quản lý và thu hoạch cụ thể - Ảnh hưởng đối với các quá trình sinh địa hóa học - Ảnh hưởng đối với sức khoẻ con người và động vật - Giám sát môi trường sau khi bán trên thị trường 48 Đánh giá rủi ro của thực vật biến đổi gen không dùng làm thực phẩm hay thức ăn chăn nuôi có các yếu tố tương tự như những đặc điểm trên (EFSA 2009): đặc tính phân tử, sự an toàn cho người và động vật (ví dụ như tính chất cấu thành, độc tính), sự an toàn cho môi trường, giám sát. Với cả ba tài liệu hướng dẫn của EFSA, cách tiếp cận so sánh được coi là một phần quan trọng trong đánh giá rủi ro. Bên cạnh đặc tính phân tử, nó tạo cơ sở cho việc đánh giá các thay đổi dự định của kiểu hình cây trồng, đặc biệt là để phát hiện bất kỳ tác động không mong muốn nào: • "Các tác động ngoài ý muốn có thể được phát hiện thông qua việc so sánh các đặc tính nông học, kiểu hình và đặc điểm thành phần tổng hợp" (EFSA 2011). • "Đánh giá an toàn so sánh được thực hiện tiếp theo để xác định những khác biệt gây ra bởi các tác động dự kiến hay ngoài dự kiến" (EFSA 2010a). • "Các phân tích thành phần phải được thực hiện [...] để xác định và định lượng những thay đổi không mong muốn có thể có trong thành phần của cây GM" (EFSA 2009). Các phương pháp so sánh được áp dụng như là thành phần chính trong đánh giá rủi ro sinh vật biến đổi gen (GMO) (OECD 1993). Chúng dự kiến cung cấp thông tin quan trọng về sự tương đương đáng kể giữa cây biến đổi gien và những cây so sánh, trong trường hợp cây trồng lan truyền sinh sản, được xác định là các kiểu gen không GM có nguồn gốc di truyền gần nhất có thể với cây GM (EFSA 2011). Hướng dẫn EFSA cho cây chuyển gen sử dụng cho các mục đích không làm lương thực và thức ăn chăn nuôi đưa ra những nhận xét chi tiết về các cây biến đổi gen "biến đổi" đáng kể, nói rằng các cây biến đổi gen đáng kể không thể so sánh thống kê so với thực vật thông thường làm cho việc đánh giá rủi ro trở nên phức tạp và tốn công sức hơn. Lý do là những thay đổi di truyền sâu rộng (ví dụ như việc chèn nhiều gen) có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong quá trình chuyển hóa và thành phần của cây GM (EFSA 2009). Đối với cây GM không sử dụng cho mục đích lương thực và thức ănchăn nuôi, Uỷ ban GMO của EFSA vẫn cho rằng đại đa số sinh học cơ bản của cây GM và cây so sánh không GM sẽ vẫn như cũ. Do đó một mức so sánh nhất định với một cây đối chiếu không GM sẽ luôn luôn phù hợp. 4.2. Khả năng áp dụng các phương pháp hiện tại lên cây trồng được tạo ra bằng bộ gen tổng hợp Theo định nghĩa, sự trao đổi chất và cũng là sinh lý học của một sinh vật tổng hợp sẽ rất khác với bất kỳ cây thông thường nào. Ngoài ra, các cây trồng được tạo ra bởi bộ gen tổng hợp khác nhau tùy theo thành phần, và mọi quá trình kỹ thuật tổng hợp của cây 49 trồng có thể dẫn đến các quy trình sinh lý và sinh học chưa được biết đến. Vì lý do này, việc áp dụng khái niệm về sự tương đương đáng kể là không thể và không khả thi. Việc đánh giá rủi ro và đánh giá các cây trồng tổng hợp phải được thực hiện theo từng trường hợp cụ thể và hướng vào tác động tiềm tàng đối với sức khoẻ con người và môi trường: • Mức độ chênh lệch về đặc điểm sinh học chính của cây trồng thông thường nói chung, • Công nghệ và khái niệm cho thiết kế cây trồng tổng hợp, • Các nguyên lý sinh học và quá trình xây dựng vật liệu tổng hợp và các chức năng và đặc điểm sinh học cơ bản của sinh vật tổng hợp ở hệ gen và cấp độ trao đổi chất, • Chức năng và hành vi dự kiến của một nhà máy tổng hợp, • Thiết kế các thử nghiệm thực địa cần tính đến các tình huống mà môi trường tiếp nhận của nhà máy tổng hợp khác biệt đáng kể so với môi trường so sánh thích hợp, • Các môi trường khác nhau liên quan đến các chức năng và mục đích sử dụng dự định của cây trồng tổng hợp, • Các đặc tính sinh học và di truyền cụ thể, ví dụ: Sự biểu hiện của các protein nhân tạo, các cơ chế kiểm soát mới, • Lựa chọn các cây tổng hợp (endpoint) cần phải kiểm tra, có thể dựa trên các nghiên cứu mới về cây trồng (DUS), mà có thể cung cấp cơ sở cho việc thiết lập một yêu cầu tối thiểu cho cây trồng được tạo ra bởi bộ gen tổng hợp (UPOV 2011) • Biến thể của các cây tổng hợp kiểm tra phụ thuộc vào sinh học của sinh vật tổng hợp, • Đánh giá dữ liệu so sánh liên quan đến kết quả phân tích đặc tính phân tử, • Xác minh mọi tác động không lường trước bằng các dữ liệu thử nghiệm bổ sung (ví dụ: kiểm tra thực địa, nghiên cứu an toàn thực phẩm) • Vấn đề do các sản phẩm của các cây trồng tổng hợp (ví dụ như một axit nucleic khác) đưa vào môi trường có thể rất nguy hiểm, và • Cần thiết phải kiểm tra trong phòng thí nghiệm rộng rãi trước mọi thử nghiệm phóng thích vào môi trường. Đáng chú ý là các gen tổng hợp, và nói chung những dạng sống mới không có lịch sử tiến hóa và không thể tìm truy ngược từ các tổ tiên hoang dã (Norton 2010). Cách tiếp cận so sánh thường không thể áp dụng được do thiếu lịch sử tiến hoá và mối quan hệ của cây trồng tổng hợp cấp cao hơn (hệ thống sinh học không tồn tại) và một cây trồng thông thường. Việc đánh giá rủi ro độc tính và dị ứng toàn diện có thể cung cấp những dữ liệu bị thiếu. Các phương pháp tiếp cận được chấp nhận trên phạm vi quốc tế áp dụng cho 50 việc thử nghiệm hóa chất trong thực phẩm tạo cơ sở cho việc kiểm tra và định lượng các tác dụng bất lợi do các phân tử nhân tạo (ADN, protein, chất chuyển hóa ...). Tác dụng dài hạn sẽ được kiểm tra bằng các nghiên cứu theo liều lượng lặp lại thích hợp. Nghiên cứu cấp thức ăn cho loài gặm nhấm trong 90 ngày được thừa nhận rộng rãi như là một xét nghiệm thích hợp nhất để phát hiện ra một loạt các điểm độc tính khi tiến hành một cách thích hợp (EFSA 2008). Trong trường hợp cây tổng hợp, việc nghiên cứu độc tính lâu dài có thể mô tả mối tương quan giữa liều lượng và phản ứng, dự đoán tác động của độc tính ở mức độ phơi nhiễm của con người, và các giả thuyết kiểm tra về phương thức hoạt động của cây tổng hợp và vật liệu có nguồn gốc từ đó. Các nghiên cứu độc tính lâu dài ở động vật có thể xác định một cách chắc chắn các mức độ tác dụng bất lợi (NOAEL) không quan sát thấy dùng cho việc thiết lập tiêu chuẩn an toàn đối với việc tiếp xúc lâu dài của con người (OECD 2009). Các dữ liệu về độc tính bổ sung có thể cung cấp thông tin để nghiên cứu tiềm năng của vật liệu gen nhân tạo hoặc các protein mới xuất hiện từ các cây tổng hợp để gây ra các rối loạn phát triển, sinh sản, hoocmon, thần kinh hay gây ung thư ở người, và độc tính của vật liệu hữu cơ tổng hợp. 4.3. Đánh giá hậu quả thực tế và rủi ro của việc phóng thích vào môi trường thực vật được tạo ra bằng bộ gen tổng hợp Từ những dữ liệu hiện có, khả năng việc phóng thích thử nghiệm các cây trồng tổng hợp cấp cao đúng nghĩa trong tương lai gần và trung hạn là rất khó xảy ra. Khả năng thực tế hơn là các phương pháp sinh học tổng hợp được thực hiện cho sự phát triển của các vi sinh vật quang hợp, vi khuẩn cyano và vi tảo (tảo đơn bào). Các phương pháp tiếp cận khác nhau để thiết kế lại bộ máy quang hợp của vi tảo hoặc lộ trình mới để sản xuất các hợp chất với các tính chất hóa học mới đã được công bố. Vi tảo biến đổi bằng kỹ thuật gen hiện đang được sử dụng cho các quy trình công nghiệp khác nhau, trong đó nổi bật nhất là sản xuất nhiên liệu sinh học. Các chiến lược đánh giá rủi ro quan trọng nhất cho các kịch bản phóng thích này đã được mô tả, cung cấp các khía cạnh cơ bản cần thiết về vi tảo được tạo ra bằng các công nghệ mới, bao gồm sinh học tổng hợp. Vi tảo có thể được nuôi cấy trong các hệ thống thủy văn khác nhau, từ hồ ao ngoài trời đến các bể phản ứng sinh học kín với môi trường kiểm soát chặt chẽ. Các nguy cơ tiềm ẩn có thể được xác định liên quan đến sự khuếch đại quần thể vi khuẩn, vi tảo (bao gồm các sinh vật tổng hợp), chất độc và các enzyme trong các hệ thống nuôi trồng đó có thể gây nguy hiểm cho môi trường và cá nhân. Mỗi quá trình có thể tạo ra các hợp chất có khả năng gây bệnh, độc, gây nhiễm hoặc dị ứng. Do đó, mọi tác động của kịch bản phóng thích có thể được đánh giá rủi ro chỉ bằng sự hiểu biết đầy đủ của quá trình sử dụng và các sinh vật tảo cụ thể được sử dụng. Các đặc điểm kỹ thuật của sinh vật tổng 51 hợp và hành vi của chúng trong các điều kiện khác nhau cần được hiểu rõ và xác định đặc điểm. Do đó, các điểm quan trọng nhất liên quan đến đánh giá rủi ro của việc sản xuất các hợp chất công nghiệp bao gồm nhiên liệu sinh học bằng tảo tổng hợp là: • đệ trình tất cả các dữ liệu có được về (các) vi sinh vật (ví dụ như cách tiếp cận sinh học tổng hợp) và các hoạt động dự kiến, • một đánh giá trước của phóng thích vào môi trường, • thông tin và thảo luận liên quan đến những ảnh hưởng thực tế hoặc tiềm ẩn đối với sức khoẻ hoặc môi trường của vi tảo cùng với các đặc tính kiểu hình và sinh thái, • Sử dụng các dữ liệu thực nghiệm chứng minh không có tính gây bệnh (ví dụ: nghiên cứu độc tính) có tính đến: - sự hiện diện và mức độ của vật liệu tổng hợp hoặc các thành phần mới khác (DNA/protein tổng hợp, các phân tử phi tự nhiên vv ..) - sự khác biệt giữa sinh vật tổng hợp và các hệ thống tự nhiên. Ví dụ: Điều chỉnh gen, chức năng trao đổi chất, hóa học, các thành phần tế bào, phản ứng với môi trường khác nhau - tác động của những thay đổi khác lên các đặc điểm giải phẫu, dinh dưỡng và sinh lý do quá trình thiết kế tổng hợp - thông tin về các hoạt động thử nghiệm thực địa bao gồm các mục tiêu và ý nghĩa của hoạt động với lý do để phóng thích vào môi trường, - số lượng và tần suất các vi sinh vật được phóng thích theo đề xuất, - mô tả đầy đủ vị trí bao gồm các đặc điểm về địa lý, vật lý, hóa học và sinh học, và khoảng cách đến nơi cư trú hoặc sinh hoạt của con người, và - mô tả về các thủ tục khoanh vùng đề xuất, các thủ tục khẩn cấp và giảm nhẹ tác động tiềm tàng, và các thủ tục chấm dứt hoạt động. 4.4. Những cân nhắc về an toàn sinh học đối với các Khối ghép Sinh học (BioBricks) được sử dụng cho sinh học tổng hợp Khung cơ sở để đánh giá an toàn sinh học là phân loại của các (vi) sinh vật chủ thành 4 nhóm rủi ro theo như bảng sau (WHO 2004). Phân loại rủi ro Định nghĩa Giải thích Rủi ro nhóm 1 Không có rủi ro hay ở mức thấp đối với cộng đồng và cá nhân Một vi sinh vật không gây ra bệnh cho người hoặc động vật. Rủi ro nhóm 2 Rủi ro cá nhân ở mức vừa phải, rủi ro thấp cho cộng đồng Mầm bệnh có thể gây bệnh cho người hoặc động vật nhưng không gây nguy hiểm nghiêm trọng cho người làm việc trong phòng thí nghiệm, cộng đồng, vật nuôi hoặc môi trường. Các phơi nhiễm trong phòng thí nghiệm có thể gây nhiễm nghiêm 52 trọng, nhưng có các biện pháp điều trị và phòng ngừa có hiệu quả và nguy cơ lây lan bệnh ở mức hạn chế. Rủi ro nhóm 3 Rủi ro cao cho cá nhân, rủi ro thấp cho cộng đồng Mầm bệnh thường gây ra bệnh nghiêm trọng cho người hoặc động vật nhưng không lan truyền từ người bệnh sang người khác. Có các biện pháp điều trị và phòng ngừa hiệu quả. Rủi ro nhóm 4 Rủi ro cao cho cá nhân, và cộng đồng Mầm bệnh thường gây ra bệnh nghiêm trọng cho người hoặc động vật và có thể lây truyền từ người này sang người khác một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Thường chưa có các biện pháp điều trị và phòng ngừa hiệu quả. Do bất kỳ kỹ thuật mới nào cũng có thể gây ra nguy cơ rủi ro đối với sức khoẻ con người, động vật hoặc môi trường, Sinh học tổng hợp phải tuân thủ các quy định cụ thể để thực hiện nghiên cứu một cách có trách nhiệm và an toàn. Trường hợp này có liên quan đặc biệt đối với các dự án dự định phóng thích vào môi trường hoặc sử dụng cho mục đích thương mại. Trọng tâm của đánh giá rủi ro các cấu trúc được thiết kế với BioBricks™ thường áp dụng an toàn phòng thí nghiệm an toàn dựa trên hướng dẫn an toàn sinh học của Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH) (Chỉ dẫn cho nghiên cứu liên quan đến các phân tử axit nucleic tái tổ hợp hoặc tổng hợp) (NIH 2013) và WHO (Sổ tay an toàn sinh học trong phòng thí nghiệm) (WHO 2004). Điều quan trọng phải lưu ý là khung phân loại nhóm rủi ro chỉ được sử dụng cho các phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, phân loại này cung cấp cơ sở thuận tiện và khởi điểm cho một đánh giá rủi ro toàn diện của các thiết bị BioBrick™ và cấu trúc của nó. Việc đặt một tác nhân vào một nhóm rủi ro dựa trên một quy trình đánh giá rủi ro toàn diện xem xét các vấn đề sau (WHO 2004): 1) Tác nhân gây bệnh và liều truyền nhiễm 2) Kết quả tiềm ẩn của phơi nhiễm 3) Đường lây nhiễm tự nhiên 4) Các đường lây nhiễm khác, kết quả từ thao tác phòng thí nghiệm (đường tiêu hóa, không khí, nuốt phải) 5) Tính ổn định của tác nhân trong môi trường 6) Mật độ của tác nhân và khối lượng của vật liệu được chế tác 7) Sự hiện diện của một vật chủ thích hợp (người hoặc động vật) 8) Thông tin có được từ các nghiên cứu trên động vật và các báo cáo về các bệnh lây nhiễm trong phòng thí nghiệm hoặc các báo cáo lâm sàng 9) Kế hoạch hoạt động phòng thí nghiệm (sonication (nghiền bằng sóng âm), aerosolisation (son khí hóa), ly tâm, ) 53 10) Mọi thao tác di truyền nào của sinh vật có thể mở rộng phạm vi tác động hoặc thay đổi độ nhạy của tác nhân đối với các phác đồ điều trị hiệu quả, đã biết. 11) Có sẵn các biện pháp dự phòng hiệu quả hoặc can thiệp điều trị ở địa phương Việc phân cấp mức độ an toàn sinh học có tính đến các vấn đề sau: • Tổ chức (khả năng gây bệnh của vật chủ / tác nhân tiềm năng) • Phương tiện có sẵn • Trang thiết bị 4.5. Các tác động tiềm tàng của sinh học tổng hợp liên quan đến an toàn sinh học An toàn sinh học trong bối cảnh sinh học tổng hợp là một vấn đề quan tâm lớn. Sự phóng thích vô tình hoặc cố ý các sinh vật thu được từ các kỹ thuật sinh học tổng hợp (= vi khuẩn tổng hợp) có thể có những tác động tiêu cực đáng kể đối với sức khoẻ con người hoặc động vật hoặc môi trường 4.5.1. Tác động đến hệ sinh thái Phóng thích có chủ ý và không chủ ý Việc phóng thích có chủ ý và vô tình các sinh vật tổng hợp (bên ngoài việc sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và các cơ sở sản xuất) có thể dẫn đến các tác động bất lợi đối với đa dạng sinh học. Do sự thay đổi về sự thích hợp sinh học, các sinh vật tổng hợp có thể trở nên xâm lấn mạnh hơn, cho thấy khả năng tồn tại tăng lên hoặc một hình mẫu sống sót được cải thiện, và do đó có thể làm giảm khả năng sống sót của quần thể sinh vật bản địa trong môi trường sống bị phơi nhiễm. Ngay cả khi tuổi thọ của chúng dự kiến bị giới hạn đáng kể thì vẫn có thể xảy ra những gián đoạn ngắn hạn đáng kể trong đa dạng sinh học (so sánh với sự xâm nhập của tảo nở hoa). Sinh vật tổng hợp dự định sử dụng trong phạm vi hẹp Các vi sinh vật tổng hợp ban đầu chỉ có mục đích sử dụng trong phạm vi hẹp có thể vô tình được thoát ra môi trường do đổ, tràn hoặc rò rỉ bể phản ứng sinh học (bioreactor). Thông thường các loại sinh vật này bị cho là chịu thích nghi kém và bất lợi về chọn lọc so với các quần thể hoang dã. Tuy nhiên, các vi khuẩn có đặc điểm là có khả năng thay đổi tiến hoá nhanh chóng và các sinh vật tổng hợp vô hại hoặc yếu có thể nhanh chóng đạt được những đột biến có lợi. Rõ ràng rằng các sinh vật tổng hợp - một khi được phóng thích ra môi trường - không thể thu lại được nữa. Bước đầu tiên trong việc giảm thiểu các rủi ro tiềm tàng của các sinh vật tổng hợp là đặt ra các rào cản vật lý giúp ngăn ngừa tình cờ phóng thích vào môi trường. Khi việc ngăn chặn vật lý có thể không đủ, thì ngăn chặn sinh học được đề xuất như là một giải 54 pháp khắc phục các nhược điểm của nó. Để ngăn chặn sinh học, các nghiên cứu sau được đề xuất và theo đuổi: a) Gây hủy diệt: "công tắc tiêu diệt", "gen tự sát". Cách tiếp cận này có xu hướng biến đổi trở lại với kiểu hình mục tiêu bằng cách bất hoạt gen gây chết người. Do tốc độ tiến hóa cao của vi sinh vật nên chiến lược này dự kiến sẽ không đáng tin cậy. b) Ngăn ngừa chuyển gen ngang. Việc áp dụng các chủng kháng fage hoặc các plasmid thiếu các chuỗi gen chuyển thích hợp được đề xuất. Tuy nhiên, việc ngăn ngừa sự hấp thu ADN tự do bằng biến đổi tự nhiên của các vi sinh vật khỏe mạnh sẽ là thách thức. b) Ngăn chặn dinh dưỡng. Có thể thiết kế các vi sinh vật tổng hợp dinh dưỡng thụ động chỉ dựa vào chất dinh dưỡng có trong các phòng thí nghiệm (in vitro). Việc vô tình phóng thích vào môi trường sẽ dẫn đến chết tế bào do đói. Cách tiếp cận này có một số hạn chế vì các chất dinh dưỡng cần thiết có thể có trong môi trường hoặc tác nhân đột biến dinh dưỡng thụ động có thể sử dụng chất chuyển hóa từ các sinh vật lân cận hoặc chuyển gen theo chiều ngang có thể bù đắp cho đột biến dinh dưỡng thụ. d) Ngăn chặn về ngữ nghĩa: Xenobiology (sinh học vũ trụ). Việc áp dụng các nucleotide sửa đổi và/hoặc xương sống thay thế khác với phospho-ribose và deoxyribose sẽ dẫn đến sự không tương thích với polymerase diễn ra tự nhiên, và sự giam hãm sinh vật tổng hợp cách ly khỏi môi trường sống dường như có triển vọng. Tuy nhiên, các nucleotide phi tự nhiên và xương sống thay thế trong các axit nucleic có thể độc hại với các tế bào thông thường. Sinh vật tổng hợp được dự định phóng thích vào môi trường Trái với kinh nghiệm thu được từ các vi sinh vật biến đổi gen cho đến nay, được phóng thíchi ra một cách có chủ ý và thường không hoạt động tốt trong môi trường sống của chúng, các sinh vật tổng hợp dự định đưa vào môi trường được thiết kế đặc biệt để tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Chúng có thể thể hiện những đặc điểm mang lại lợi thế chọn lọc trong môi trường sống tương ứng, làm giảm khả năng sống sót của quần thể sinh vật bản địa trong hệ sinh thái tiếp xúc. Trong bối cảnh này, cần làm rõ là các chuyên gia đánh giá rủi ro và các nhà quản lý cho đến nay chỉ có ít kinh nghiệm trong việc xem xét các rủi ro tiềm tàng của việc phóng thích sinh vật tổng hợp có chủ định và họ không có kinh nghiệm trong việc xem xét các rủi ro tiềm ẩn phát sinh từ sự tiến hóa của vi sinh vật tổng hợp và tương tác của chúng với sinh vật bản địa trong môi trường sống mới của chúng. 4.5.2. Chuyển đổi vật liệu gen/ADN mới sang sinh vật bản địa Chuyển vật liệu gen từ sinh vật tổng hợp sang vật chủ tự nhiên có thể được thực hiện bằng dòng gen theo chiều dọc hoặc bằng chuyển gen ngang (HGT). 55 Chuyển gen theo chiều dọc Các gen được biến đổi có thể được truyền cho các quần thể bản địa cùng loài hoặc các loài có quan hệ gần nhau thông qua phấn hoa hoặc thông qua việc trao đổi hạt giống không cẩn thận như đã xảy ra với sự phân tán các gen biến đổi gen trong các biến thể ngô không biến đổi gen ở Mexico do hệ thống phân tán hạt giống và thị trường ngũ cốc cẩu thả. Chuyển gen ngang Chuyển gen ngang giữa các vi sinh vật được truyền gian bằng cách chuyển đổi (hấp thu ADN tự do), liên hợp (chuyển ADN giữa vi khuẩn thông qua tiếp xúc tế bào-tế bào) và sự chuyển tải (chuyển ADN thông qua các con virut). Vấn đề chính trong việc đánh giá rủi ro phát sinh từ chuyển gen theo chiều ngang là vẫn còn thiếu sự hiểu biết toàn diện về tần suất chuyển gen ở môi trường sống tự nhiên và các cơ chế liên quan. Mặc dù người ta biết rằng chuyển gen theo chiều ngang cũng tham gia vào quá trình hình thành sự tiến hóa của bộ gen eukaryote. Liên quan đến việc chuyển đổi việc trao đổi vật liệu di truyền biến đổi cũng có thể xảy ra ngay cả khi vật mang ban đầu đã chết (Wright và cộng sự, 2013). Tác động đến đa dạng sinh học ở cấp độ di truyền Việc chuyển gen theo chiều ngang từ sinh vật tổng hợp sang các quần thể bản địa có thể dẫn đến sự thay đổi đa dạng sinh học ở cấp gen. Một ví dụ sinh động cho các tác dụng bất lợi của chuyển gen ngang là sự lan rộng không hạn chế của các gen kháng thuốc kháng sinh trong môi trường lâm sàng và tự nhiên dẫn đến sự "ô nhiễm gen" ở các dòng vi khuẩn bản địa với các yếu tố di truyền trước đây không phổ biến ở các cộng đồng bị phơi nhiễm. Việc phổ biến các yếu tố kháng có ảnh hưởng tiêu cực đến bệnh tật và tử vong của bệnh nhân mắc bệnh truyền nhiễm và gây gánh nặng tài chính nghiêm trọng cho sức khoẻ cộng đồng. Chưa có sự đồng thuận về việc liệu bản thân chuyển gen có là một tác dụng có hại cần được ngăn ngừa hay chỉ là một cơ chế tiềm năng mà có thể gây ra các tác động bất lợi (hệ thống pháp lý EU). 4.5.3. Sự xuất hiện của các đặc tính mới Việc áp dụng các kỹ thuật sinh học tổng hợp để tạo ra các quá trình trao đổi chất và các mạch kiểm soát mới sẽ dẫn đến các dạng sống khác nhau hoàn toàn về lâu dài. Những sinh vật mới này có thể phát triển các tính chất mới không tiên đoán được. Đáng ngạc nhiên là sự tương tác giữa các mạch mới với các quá trình nội sinh và sự tương tác với các điều kiện môi trường thay đổi mới chỉ được hiểu sơ sài. Chúng ta mới có rất ít kiến thức để cho phép chuyển tiếp các thiết bị gen chứa tối đa 20 gen hoặc các bộ phận sinh học tốt nhất. Quy trình thử và sai sẽ đồng hành lâu dài với sinh học tổng hợp và những đặc điểm bất ngờ chắc chắn sẽ xuất hiện. Những kết quả không lường trước này có thể 56 gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khoẻ được minh họa bằng việc sản sinh ra một loại virus mới ở chuột gây nên vô sinh, nhưng không chỉ giết chết tất cả chuột bị nhiễm mà còn 50% nhóm được tiêm chủng - được cho là miễn dịch. Quan sát này ngụ ý rằng có những giới hạn rõ ràng về kiến thức tiên đoán. Tình hình sẽ xấu đi khi xem xét sự kết hợp của nhiều yếu tố hơn từ nhiều nguồn ADN khác nhau. Điều quan trọng cần lưu ý là hiện nay không ai hiểu được rủi ro mà các sinh vật tổng hợp hoàn toàn sẽ gây ra cho con người, động vật và môi trường, những thông tin nào cần để đánh giá các loại rủi ro này và ai là người chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu cần thiết. 57 KẾT LUẬN Định nghĩa được sử dụng rộng rãi nhất để mô tả sinh học tổng hợp là thiết kế và xây dựng các bộ phận, thiết bị và hệ thống sinh học mới, hoặc là việc thiết kế lại các hệ sinh học tự nhiên hiện có cho các mục đích hữu ích. Đặc điểm quan trọng trong sinh học tổng hợp là việc áp dụng các nguyên tắc kỹ thuật nhằm mục đích thiết kế và xây dựng các sinh vật với những đặc tính mới lạ chưa có trước đây. Điều này được thực hiện bằng hai cách tiếp cận khác nhau, hoặc là ghép từ ban đầu ("từ dưới lên"), hoặc dựa trên khái niệm bộ gen tối thiểu ("từ trên xuống"). Phương pháp tiếp cận đầu tiên bao gồm các đơn vị kiến tạo cơ bản được lắp ráp từ các mảnh ADN tổng hợp và được sử dụng để thiết kế và chế tạo các thiết bị (nhiều bộ phận với các chức năng được xác định), các đường chuyển hóa và cuối cùng là toàn bộ bộ gen. Một số phương pháp lắp ráp bộ gen tổng hợp đã được phát triển dựa trên tiêu chuẩn hóa các bộ phận để hỗ trợ lắp ráp. Ngược lại, phương pháp đi từ trên xuống nhằm mục đích giảm bộ gen tới bộ gen tối thiểu để duy trì cuộc sống dưới các điều kiện được xác định. Những tế bào tối thiểu này, còn được gọi là "khung" (vật chủ), có chứ năng như các nhà máy tế bào nền tảng để các phần tử tổng hợp có thể bổ sung thêm vào. Sinh học tổng hợp trong cây trồng rõ ràng đang tụt hậu so với trong các vi khuẩn. Các phát triển tiên tiến nhất bao gồm sản xuất nhiên liệu sinh học, trong đó xác định các chiến lược có thể trong các giai đoạn phát triển khác nhau. Về lâu dài, sinh học tổng hợp có thể sẽ liên quan đến việc phóng thích vào môi trường các cây trồng ở cấp cao hơn, chủ yếu là để sử dụng trong lĩnh vực năng lượng sinh học. Các sinh vật được phát triển bởi sinh học tổng hợp dự kiến sẽ khác biệt đáng kể so với các sinh vật đối ứng tự nhiên hiện nay của chúng về đặc tính và sự phù hợp, bao gồm khả năng xâm lấn và chống chịu. Nhiều bất ổn đáng kể vẫn còn đó liên quan đến sự phát triển trong tương lai, do đó cần đánh giá rủi ro và các quy trình quản lý rủi ro ở giai đoạn này. Biên soạn: Trung tâm Phân tích thông tin 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH: 1. AGES. Synthetic Biology, Final Report. 2014. 2. Agapakis CM, Boyle PM, Silver PA (2012) Natural strategies for the spatial optimization of metabolism in synthetic biology. Nature chemical biology 8 (6):527-535. doi:10.1038/nchembio.975 3. Arpino JA, Hancock EJ, Anderson J, Barahona M, Stan GB, Papachristodoulou A, Polizzi K (2013) Tuning the dials of Synthetic Biology. Microbiology 159 (Pt 7):1236-1253. 4. Bilgin Bilgin T, Wagner A (2012) Design constraints on a synthetic metabolism. PloS one 7 (6):e39903. doi:10.1371/journal.pone.0039903 5. Boyle PM, Silver PA (2012) Parts plus pipes: synthetic biology approaches to metabolic engineering. Metabolic engineering 14 (3):223-232. doi:10.1016/j.ymben.2011.10.003 6. Cameron DE, Bashor CJ, Collins JJ (2014) A brief history of synthetic biology. Nature reviews Microbiology 12 (5):381-390. doi:10.1038/nrmicro3239 7. EC 2005 Synthetic Biology. Applying Engineering to Biology. Report of a NEST High-Level Expert Group. 8. EFSA (2011) Guidance of the GMO Panel for risk assessment of food and feed from genetically modified plants. 9. Esvelt KM, Wang HH (2013) Genome-scale engineering for systems and synthetic biology. Molecular systems biology 9:641. doi:10.1038/msb.2012.66 10. Forster AC, Church GM (2006) Towards synthesis of a minimal cell. Molecular systems biology 2:45. 11. Harris DC, Jewett MC (2012) Cell-free biology: exploiting the interface between synthetic biology and synthetic chemistry. Current opinion in biotechnology 23 (5):672-678. 12. Heinemann M, Panke S (2006) Synthetic biology--putting engineering into biology. Bioinformatics 22 (22):2790-2799. doi:10.1093/bioinformatics/btl469 13. iGEM (2014) Registry of Standard Biological Parts: Assembly standard 23. Accessed 16.06.2014 14. Kitney R, Freemont P (2012) Synthetic biology - the state of play. FEBS letters 586 (15):2029-2036. 15. König H, Frank D, Heil R, Coenen C (2013) Synthetic genomics and synthetic biology applications between hopes and concerns. Current genomics 14 (1):11-24. 16. Li Y, Pfeifer BA (2014) Heterologous production of plant-derived isoprenoid products in microbes and the application of metabolic engineering and synthetic biology 17. Montague MG, Lartigue C, Vashee S (2012) Synthetic genomics: potential and limitations. Current opinion in biotechnology 23 (5):659-665. doi:10.1016/j.copbio.2012.01.014 18. Moya A, Gil R, Latorre A, Pereto J, Pilar Garcillan-Barcia M, de la Cruz F (2009) Toward minimal bacterial cells: evolution vs. design. FEMS microbiology reviews 33 (1):225-235. 19. Nielsen J, Keasling JD (2011) Synergies between synthetic biology and metabolic engineering. Nature biotechnology 29 (8):693-695. doi:10.1038/nbt.1937 20. Noireaux V, Maeda YT, Libchaber A (2011) Development of an artificial cell, from self-organization to computation and self-reproduction. Proceedings of the NAS of the USA 108 21. Oldham P, Hall S, Burton G (2012) Synthetic biology: mapping the scientific landscape. PloS one 7 (4):e34368. doi:10.1371/journal.pone.0034368 22. Porcar M, Pereto J (2012) Are we doing synthetic biology? Systems and synthetic biology 6 (3-4) 23. Purnick PE, Weiss R (2009) The second wave of synthetic biology: from modules to systems. Nature reviews Molecular cell biology 10 (6):410-422. doi:10.1038/nrm2698 24. SCENIHR, SCCS, SCHER (2014) Synthetic Biology I Definition, Opinion, 25 September, 2014. 25. Smith MT, Wilding KM, Hunt JM, Bennett AM, Bundy BC (2014) The emerging age of cell-free synthetic biology. FEBS letters. doi:10.1016/j.febslet.2014.05.062 26. Sole et all. (2007) Synthetic protocell biology: from reproduction to computation. Philosophical transactions of the Royal Society of London Series B, Biological sciences 362 (1486) 27. Stephanopoulos (2012) Synthetic biology and metabolic engineering. ACS synthetic biology 1 (11): 28. Wang HH (2010) Synthetic genomes for synthetic biology. Journal of molecular cell biology 2 (4) Yadav VG, De Mey M, Lim CG, Ajikumar PK, Stephanopoulos G (2012) The future of metabolic engineering and synthetic biology: towards a systematic practice. Metabolic engineering 14 (3) 29. Xu P, Vansiri A, Bhan N, Koffas MA (2012) ePathBrick: a synthetic biology platform for engineering metabolic pathways in E. coli. ACS synthetic biology 1 (7). 59 Lắp ráp bộ gen tổng hợp M. mycoides trong nấm men.