Tài liệu Triển vọng phát triển công nghệ sinh học biển

g trong các lĩnh vực khác nhau từ thực phẩm chức năng, mỹ phẩm đến chăm sóc sức khỏe. Năm 2005, theo ước tính trong lĩnh vực “chăm sóc vết thương” của polyme sinh học có sử dụng alginate và chitin, mang lại giá trị 800 triệu USD/năm. Trên toàn cầu, thị trường chitin và chitosan (phần lớn có nguồn gốc từ biển) có giá trị 481 triệu USD và bị thu hẹp bởi thị trường các chất dẫn xuất từ chitin và chitosan (ví dụ glucosamine) được dự báo lần lượt đạt mức 63 tỷ USD và 21,4 tỷ USD vào năm 2015. 27 Tuy nhiên, ngoài các sản phẩm cụ thể, không dễ làm giảm đóng góp của công nghệ sinh học biển cho các thị trường này trên toàn cầu. Thị trường sinh khối tảo (tảo được sử dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học) có quy mô nhỏ và chưa lớn mạnh, nhưng dự kiến sẽ phát triển theo cấp số nhân trong 5-10 năm tới do nhu cầu tăng. Quy mô và giá trị của thị trường vẫn chưa được xác định và sẽ phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như chi phí sản xuất và tốc độ, phân tích vòng đời và các chính sách sử dụng nhiên liệu tái tạo của chính phủ. Thị trường thực phẩm chức năng và các sản phẩm tự nhiên, bao gồm thực phẩm ăn kiêng, thực phẩm tự nhiên và thực phẩm hữu cơ và đồ uống, các sản phẩm gia dụng và chăm sóc cá nhân có tính chất tự nhiên và hữu cơ, ước tính mang lại giá trị 270 tỷ USD trong năm 2008 và được dự báo sẽ tăng 6% vào năm 2015. Trong một số trường hợp ngoại lệ, rất khó để tách biệt phần được chiết xuất từ tài nguyên sinh vật biển. Thị trường toàn cầu về các thành phần dầu omega-3 từ tảo biển mang lại giá trị khoảng 244 triệu USD năm 2009, được dự báo sẽ đạt 476-664 triệu USD vào năm 2015 (dựa vào tốc độ tăng trưởng ước tính hàng năm từ 10,9%-17,3%). 2.2. Đóng góp kinh tế của các đại dương Công nghệ sinh học biển đóng góp cho nền kinh tế sinh học bằng cách tạo việc làm trong toàn bộ chuỗi giá trị từ vị trí nghiên cứu đến các vị trí khác trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, công nghệ sinh học biển được dự báo sẽ ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực giá trị gia tăng: dược phẩm, thực phẩm, công nghiệp chế biến, dược phẩm dinh dưỡng Điều này khiến cho tác động kinh tế toàn diện của nó khó xác định. Một số thông tin hữu ích có thể được thu thập bằng cách xem xét đóng góp kinh tế của các đại dương, nhưng dữ liệu từ các nghiên cứu hiện có cho thấy công nghệ sinh học biển chiếm một phần nhỏ trong số các hoạt động liên quan đến biển, bao gồm dầu khí, du lịch, đóng tàu, vận tải, cảng Tại Vương quốc Anh, trong các năm 2005 và 2006, các hoạt động liên quan trực tiếp đến biển chiếm 4,2% (46 tỷ bảng Anh theo giá cơ sở) tổng sản phẩm quốc nội (GDP) của Anh và các việc làm liên quan đến biển chiếm 2,9% (890.000) tổng số việc làm tại quốc gia này. Điều này tương ứng với tổng đóng góp trực tiếp và gián tiếp cho nền kinh tế Anh dao động từ 6,0% đến 6,8%. Hoạt động NC&PT liên quan đến biển chiếm gần 1% các hoạt động kinh tế này. Ở Canada, theo ước tính năm 2001, các hoạt động hàng hải đóng góp 1,4% GDP của quốc gia mặc dù tại các tỉnh ven biển của British Columbia và Nova Scotia, tỷ lệ đóng góp lần lượt là 7% và 10%. Gần đây, một báo cáo của Canada về tác động kinh tế 28 của các hoạt động hàng hải trong các vùng biển được quản lý đề cập đến hoạt động biển theo ước tính đóng góp 16,1% cho GDP và tạo ra 127.000 việc làm. Tại Hoa Kỳ, Chương trình Kinh tế biển quốc gia (NOEP) ước tính năm 2009, nền kinh tế biển của các quốc gia ven biển đạt mức 223 tỷ USD và đã tạo 2,6 triệu việc làm. Giá trị kinh tế bắt nguồn từ “tài nguyên sống” (trại nhân giống cá và nuôi trồng thủy sản, nghề cá, các thị trường hải sản và chế biến thủy sản) ở Hoa Kỳ ước tính năm 2009 là 5,7 tỷ USD và cung cấp 58.000 việc làm. Tuy nhiên, rất khó để tách rời đóng góp của công nghệ sinh học biển trong các thống kê kinh tế này. Dù có một số thông tin về thành công của thị trường hữu hình và một số dữ liệu kinh tế chính xác của khu vực, nhưng việc định lượng đóng góp của công nghệ sinh học biển cho nền kinh tế sinh học vẫn là thách thức lớn. Tuy nhiên, trong thế giới ngày nay, vấn đề quan trọng hơn là phải xác định tác động của hoạt động đầu tư và tăng tối đa lợi nhuận đầu tư. 2.3. Đo lường các yếu tố đầu vào của công nghệ sinh học biển Một số người tin rằng công nghệ sinh học biển có tiềm năng tương đương công nghệ sinh học trên đất liền, nhưng lĩnh vực này còn quá non trẻ để được đo bằng các chỉ số về sản lượng kinh tế và cần được đo bằng các chỉ số NC&PT và đổi mới sáng tạo. Cơ sở dữ liệu về chỉ số khoa học và công nghệ của OECD liệt kê một vài chỉ số đầu vào liên quan đến NC&PT như tổng chi quốc gia cho NC&PT (GERD) và các mô hình tài chính để đo lường kết quả hoạt động khoa học và công nghệ. Đặc biệt, nó hàm chứa ba chỉ số về đổi mới sáng tạo hữu ích trong lĩnh vực này, bao gồm: sáng chế, cán cân thanh toán công nghệ và giao dịch trong các ngành công nghiệp thâm dụng NC&PT. Hầu hết các tính toán cho đến nay đều dựa vào dữ liệu sáng chế. Dữ liệu sáng chế Sáng chế thường là một phần quan trọng trong toàn bộ quá trình thương mại hóa sáng kiến. Đây là trường hợp của các nguồn tài nguyên biển và các sáng kiến liên quan và, vì lý do này, các sáng chế trong chừng mực nhất định có thể được xem là đại diện cho giá trị thương mại của những khám phá. Một số dữ liệu sáng chế về công nghệ sinh học biển có giá trị và sẵn có được xem như là một dấu hiệu của tăng trưởng và tiềm lực kinh tế của lĩnh vực này. Trong một khảo sát, hoạt động cấp sáng chế đã được nghiên cứu trong khoảng thời gian 10 năm bằng cách sử dụng các thuật ngữ tìm kiếm cơ sở dữ liệu: biển, đại dương, vùng nước sâu và nước biển. Nghiên cứu đã xác định được tổng số 2.241 sáng chế về 29 công nghệ sinh học biển được cấp trong giai đoạn 1996-2005 trong 9 lĩnh vực khác nhau. Leary et al. (2009) đã xem xét các sáng chế liên quan đến tài nguyên di truyền biển và xác định 135 sáng chế được xin cấp trong giai đoạn 1973-2007. Arrieta et al. (2010) cũng giới hạn phân tích sáng chế trong phạm vi gen của sinh vật. Các dữ liệu có sẵn cho thấy sự gia tăng số lượng sáng chế công nghệ sinh học biển liên quan đến tài nguyên di truyền biển và chứng minh có rất nhiều ứng dụng bắt nguồn từ các sáng chế chỉ trong lĩnh vực công nghệ sinh học biển. Tuy nhiên, trong lĩnh vực công nghệ sinh học biển cũng như trong nhiều lĩnh vực khác, việc sử dụng sáng chế như một chỉ số về kết quả NC&PT hoặc thể hiện thành công thương mại còn hạn chế. Không phải tất cả các phát minh đã cấp sáng chế đều được thương mại hóa và không phải tất cả các phát minh được thương mại hóa đều đã được cấp sáng chế. Ngoài ra, sự khác biệt trong các phương thức cấp sáng chế giữa nghiên cứu được tài trợ công và tư làm cho vấn đề thêm phức tạp, vì hoạt động cấp sáng chế phổ biến hơn và diễn ra với tốc độ nhanh hơn trong khu vực tư nhân. 2.4. Các chỉ số khác Nhóm công tác về công nghệ sinh học biển của Hội đồng biển (Quỹ khoa học châu Âu) đã cố gắng lập bản đồ các chỉ số thành công và nhận thấy hoạt động này rất khó khăn và trong một số trường hợp không thể thu thập những thông tin cần thiết. Nhóm công tác đã đo lường một số thông số chính của năng suất khoa học (scientific output): quỹ và nhân lực dành cho nghiên cứu biển và phát triển công nghệ; ấn phẩm khoa học và tác động của chúng (trích dẫn); Các sáng chế ở châu Âu trong những lĩnh vực khoa học và công nghệ biển; và thông tin về mục tiêu, hiện trạng và kết quả của các sáng kiến và chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ khác nhau ở cả cấp quốc gia và châu Âu. Tuy nhiên, rất khó hoặc mất nhiều chi phí để thu thập thông tin doanh nghiệp và sản lượng kinh tế và việc diễn giải thông tin này cũng không phải dễ. Nhu cầu về các biện pháp mới Việc đo lường những thành công thương mại và tác động kinh tế của việc đầu tư cho khoa học và công nghệ là rất quan trọng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lĩnh vực mới nổi như công nghệ sinh học biển bị tác động lớn bởi chính sách. Cần phải đánh giá tác động của đầu tư trực tiếp và gián tiếp của chính phủ và các bên liên quan khác và để đo lường sự tiến bộ theo khám phá và khả năng phát triển liên tục. Đối với công nghệ sinh học biển, một số thông tin có thể được thu thập thông qua xem xét vài chỉ số đề cập ở trên. Tuy nhiên, đây thường là những chỉ số không đầy đủ về thành công thương mại. Điều này đặt ra câu hỏi về cách thức các chính phủ và các bên 30 liên quan khác có thể theo dõi và đánh giá sự phát triển và đóng góp của lĩnh vực này cho nền kinh tế. Sẽ cần có các biện pháp và chỉ số mới hoặc cần thu thập dữ liệu mới. Trong một số lĩnh vực, các chỉ số và biện pháp đã được đưa ra. Ví dụ, số lượng lớn các số liệu thống kê liên quan đến đầu vào và đầu ra NC&PT cho ngành công nghiệp dược phẩm. Hơn nữa, ngành công nghiệp này đang tích cực khám phá tiềm năng của các hợp chất có nguồn gốc từ biển để tăng cường hoạt động phát triển thuốc đã sụt giảm trong những năm gần đây. Trong lĩnh vực này, sự gia tăng số lượng sáng chế liên quan đến biển chiếm một phần tổng số sáng chế về bào chế thuốc, có thể được sử dụng như một chỉ số về sự đóng góp ngày càng mạnh mẽ của công nghệ sinh học biển. Đầu ra này liên quan đến đầu vào NC&PT công nghệ sinh học biển, có thể phác họa một phần bức tranh về tác động kinh tế của công nghệ sinh học biển. Tuy nhiên, để có một bức tranh hoàn chỉnh hơn, sẽ cần có sự tham gia của cả lĩnh vực công nghệ sinh học biển và các lĩnh vực khác. Việc triển khai các biện pháp và chỉ số phù hợp cho các yếu tố đầu vào và sản lượng kinh tế sẽ cần có môt định nghĩa chung về công nghệ sinh học biển. Từ đó có thể xem xét các loại hình đầu tư cần thiết và các phương thức đổi mới sản xuất. Công việc này cũng bao gồm phân tích các mô hình kinh doanh được sử dụng bởi một số ngành và một loạt các chỉ số kinh tế - xã hội để mô tả thực trạng và sự phát triển của các hoạt động liên quan đến biển như giá trị kinh tế gia tăng và việc làm trong lĩnh vực nghiên cứu và công nghệ biển. 2.5. Giá trị phi thị trường của đại dương Để đo lường và hiện thực hóa tiềm năng kinh tế của đại dương và các nguồn tài nguyên sinh vật biển, vấn đề quan trọng là phải xem xét giá trị phi thị trường của đại dương, ví dụ: giá trị môi trường (các dịch vụ hệ sinh thái) và giải trí có thể được khai thác từ đại dương và phải xác định xem các nguồn tài nguyên sinh vật biển bị ảnh hưởng bởi các ứng dụng công nghệ sinh học biển theo hướng tích cực và tiêu cực ra sao. Trong một nghiên cứu gây tranh cãi và được trích dẫn rộng rãi, Costanza et al. (1997) ước tính giá trị kinh tế của 17 dịch vụ hệ sinh thái cho 16 quần xã sinh vật thông qua một số nghiên cứu đã được công bố và các tính toán ban đầu. Các nhà khoa học đã xem xét giá trị của sản xuất lương thực, xử lý chất thải, điều hòa khí hậu và ước tính giá trị trung bình trên toàn cầu của các dịch vụ hệ sinh thái được cung cấp bởi môi trường biển (ngoài khơi và các vùng ven biển) mỗi năm là 20.949 x109 USD Chương trình Kinh tế biển quốc gia (NOEP) của Trung tâm Kinh tế xanh trực thuộc Viện Nghiên cứu quốc tế Monterey cũng đã tính giá trị phi thị trường của đại dương. 31 Mạng lưới này cung cấp liên kết đến một số nghiên cứu (chủ yếu là ở Hoa Kỳ) về giá trị phi thị trường của các đại dương được sử dụng trong việc đánh giá các đại dương. Giá trị phi thị trường thường liên quan đến những lợi ích giải trí của môi trường biển và ven biển hoặc các dịch vụ môi trường do các đại dương cung cấp, nhưng những giá trị này cũng vượt ra ngoài mọi lợi ích trực tiếp mà các đại dương và bờ biển mang lại. NOEP cố gắng ước tính giá trị xã hội của những yếu tố như bãi biển nguyên sơ ở California, đời sống hoang dã phong phú ở Florida Keys hoặc các hệ thống đất ngập nước và rừng ngập mặn giúp giảm thiểu thiệt hại do bão ở Gulf Coast. Trong khi giá trị của những “thứ vô hình” này khó ước tính, thì quan trọng là phải tính đến giá trị của chúng khi xác định đóng góp của môi trường biển đối với nền kinh tế. Giá trị phi thị trường không phải là nhỏ. Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, phân tích của NOEP cho thấy tổng giá trị phi thị trường của các nguồn tài nguyên biển và ven biển mỗi năm tối thiểu lên đến hàng chục tỷ đô la và có thể còn cao hơn. Ví dụ, ở Florida, theo ước tính, giá trị phi thị trường của bảy hoạt động rơi vào khoảng 16,5 tỷ USD đến 53 tỷ USD/năm. Việc loại trừ các giá trị phi thị trường này sẽ đánh giá thấp giá trị thực của nền kinh tế biển. Một giải pháp thay thế để xem xét giá trị phi thị trường của các nguồn tài nguyên biển là dựa vào các giá trị thị trường khi không có các nguồn tài nguyên này. Viện Môi trường Stockholm đưa ra cách tiếp cận đó và xem xét giá trị của các đại dương bị mất đi theo các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau. Ngay cả trong một kịch bản gây tác động khí hậu thấp, thì cũng có thể làm mất đi hơn 1 nghìn tỷ USD giá trị (0,06% GDP) vào năm 2050. Bất kỳ đánh giá kinh tế nào về các tài nguyên biển cũng cần tính đến giá trị thị trường và phi thị trường để cho phép đưa ra các quyết định sáng suốt về việc sử dụng và phát triển các nguồn tài nguyên biển. Do khó xác định các giá trị phi thị trường và sự cân bằng giữa năng suất đại dương và tính bền vững, nên cần bổ sung các chỉ số môi trường và kinh tế - xã hội về sức khỏe của đại dương. Chỉ số về sức khỏe của đại dương Các chỉ số môi trường có thể góp phần nâng cao hiệu quả của các phương thức quản lý và bảo vệ tài nguyên, bao gồm các chỉ số sinh học, địa chất, hóa học và vật lý mô tả sức khỏe của các vùng nước ven biển, bản chất của các chất ô nhiễm và mối quan hệ của chúng với các hoạt động của con người và sự tập trung của đô thị. Dù đã có một vài chỉ số và thông tin mang tính quốc gia, nhưng chúng thường hạn chế và không thể so sánh giữa các nước. Do đó, cần có nghiên cứu sâu hơn để: 32 - Xác định và phân tích giá trị chính sách của các chỉ số định lượng có liên quan. - Xác định các chỉ số khoa học và công nghệ chính hiện có và dữ liệu kinh tế - xã hội trên cơ sở ngành và quốc gia. - Phân tích giá trị pháp lý (tính hợp lệ) và mức độ liên quan của các chỉ số và dữ liệu này với sự phát triển chính sách, như minh chứng cho các lựa chọn phát triển bền vững phù hợp với các vùng. - Tổng hợp các chỉ số hiện có nhằm mục tiêu phát triển các chỉ số quốc tế, bao gồm định chuẩn các chỉ số và phương thức. - Xuất bản và phổ biến các báo cáo thường xuyên về hiện trạng của đại dương và các hoạt động trên biển dựa vào các chỉ số này. Các dữ liệu này có thể đóng góp cho cơ sở dữ liệu tổng thể về năng lực khoa học, kỹ thuật và kinh tế xã hội liên quan đến quá trình hoạch định chính sách. Như vậy, Công nghệ sinh học biển có thể đóng góp cho nền kinh tế sinh học thông qua phát triển các sản phẩm và dịch vụ sáng tạo trong các lĩnh vực như thực phẩm, y tế và sản xuất và thông qua tạo việc làm. Phạm vi công nghệ sinh học biển hỗ trợ sử dụng bền vững nguồn tài nguyên sinh vật biển, có thể giúp bảo tồn giá trị phi thị trường của đại dương và các lợi ích kinh tế-xã hội liên quan (ví dụ: giải trí, truyền thống văn hóa và du lịch). Khả năng đo lường đóng góp kinh tế-xã hội của công nghệ sinh học biển là quan trọng vì một số lý do và sẽ củng cố và ảnh hưởng đến sự phát triển của lĩnh vực này trong tương lai. Giá trị thị trường của một số sản phẩm và dịch vụ công nghệ sinh học biển đã được biết đến, nhưng đối với những yếu tố khác thì quy mô và giá trị thị trường khó ước tính. Khó khăn nảy sinh vừa từ việc theo dõi phạm vi sản phẩm và dịch vụ trên các lĩnh vực khác nhau và phân tách đóng góp của công nghệ sinh học biển từ các yếu tố khác. Sẽ cần tích lũy tri thức hoặc đưa ra định nghĩa chung về công nghệ sinh học biển để xây dựng các chỉ số thích hợp về đầu vào và đầu ra. Dựa vào phạm vi ứng dụng của công nghệ sinh học biển, các chỉ số và biện pháp bước đầu có thể được đưa ra, trong đó chú trọng một số sản phẩm hoặc đầu ra ở một số nước trước khi mở rộng tại các quốc gia và khu vực khác. Mục tiêu lớn hơn là xây dựng các chỉ số kinh tế và hệ đo lường phù hợp cho phân tích so sánh giữa các quốc gia theo thời gian. Để có được sự cân bằng giữa năng suất đại dương và tính bền vững, cần có các chỉ số cung cấp “đánh giá kinh tế” về các hệ sinh thái khỏe mạnh. Các chỉ số này có thể bao gồm các biện pháp cho đa dạng sinh học và ô nhiễm và cung cấp thông tin về tính khả 33 dụng của các nguồn tài nguyên sinh vật biển, như là nền tảng của công nghệ sinh học biển và tiếp đến là của tiềm năng kinh tế. III. HẠ TẦNG XÂY DỰNG VÀ CHIA SẺ TRI THỨC CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN Phạm vi hiện thực hóa các lợi ích của công nghệ sinh học biển sẽ phụ thuộc phần lớn vào khả năng nhận thức và bảo tồn các nguồn tài nguyên sinh vật biển và hệ sinh thái biển. Điều đó cần có kỹ năng thu thập và phân tích dữ liệu khoa học mới và so sánh dữ liệu với tri thức hiện có. Hiện thực hóa toàn bộ tiềm năng của công nghệ sinh học biển cũng sẽ đòi hỏi hạ tầng NC&PT phù hợp. 3.1. Hạ tầng nghiên cứu Lợi ích to lớn của công nghệ sinh học biển liên quan đến những tiến bộ gần đây của công nghệ “omics” (ví dụ: genomics, proteomics) và nhận thức mới về các nguồn tài nguyên sinh vật biển. Các công nghệ này là nền tảng cho nhiều hoạt động NC&PT công nghệ sinh học biển và đang tạo ra nhiều dữ liệu di truyền, giúp hiểu rõ hơn về sinh vật biển và tiềm năng phát triển công nghệ sinh học. Công nghệ lập trình tự gen, trước đây gặp khó khăn về kỹ thuật và tài chính, nay đã chín muồi và tạo ra dữ liệu với tốc độ chưa từng có so với cách đây một thập kỷ. Ví dụ, công nghệ HiSeq của công ty Illumina mỗi năm tạo ra khoảng 10 terabits (Tb) dữ liệu lập trình tự gen trên một máy và công suất từ các công nghệ tương lai dự kiến sẽ tăng lên 112Tb/máy vào năm 2015. Trong khi đó, chi phí cho mỗi chuỗi nucleotide giảm xuống nhanh chóng. Dù có những tiến bộ của công nghệ "omics", nhưng rất ít người biết đến đa dạng sinh học biển và tiềm năng về tài nguyên sinh học. Những gì mà mọi người đã được biết chỉ chiếm 10% các loài sinh vật biển, đây là phần dễ tiếp cận nhất, bao gồm hầu hết là động vật có vú, cá và thực vật lớn hơn và các vi khuẩn phổ biến và dễ nuôi cấy nhất. Phần còn lại chủ yếu là các sinh vật biển rất ít được biết đến. Metagenomics của các cộng đồng vi khuẩn biển đang mở ra một cánh cửa mới về đa dạng sinh học. Sự ra đời gần đây của công nghệ lập trình tự đơn bào (SCS) sẽ tiếp tục cải thiện khả năng liên kết cấu trúc và các chức năng của các cộng đồng vi sinh vật trong thập kỷ tới. Đầu tư trước đây cho lĩnh vực genomics đã dẫn đến thời kỳ phục hưng của công nghệ sinh học biển, làm nảy sinh thách thức về hạ tầng mới có nguy cơ hạn chế tốc độ đạt được các lợi ích. Việc ứng dụng rộng rãi công nghệ sinh học biển rõ ràng sẽ cần có hạ tầng bổ sung. 34 Các công cụ và quy trình để thu gom, nuôi cấy và phân loại mẫu Các công cụ và quy trình thu gom mẫu từ môi trường biển luôn được cải thiện. Tuy nhiên, các hoạt động thăm dò và lấy mẫu còn khó khăn tại các khu vực có môi trường khắc nghiệt, mở ra tiềm năng lớn khám phá các sinh vật có chức năng mới. Rãnh Mariana ở Tây Thái Bình Dương là một ví dụ điển hình. Tại điểm sâu nhất, sâu đến hơn 10 km và cột nước tạo áp suất 15.750 psi, gấp hàng nghìn lần áp suất khí quyển trên mực nước biển. Tính đến giữa năm 2012, bốn cuộc thám hiểm đã được thực hiện dưới đáy rãnh và một số cuộc thám hiểm khác đã được lên kế hoạch, nhưng gặp khó khăn về kỹ thuật, tốn kém và rất nguy hiểm. Việc lấy mẫu bị hạn chế, dù các sinh vật sống đã được thu gom, nhưng việc nuôi cấy và nghiên cứu chúng vẫn là thách thức. Trong các môi trường khắc nghiệt này, cần có các con tàu công nghệ tiên tiến cho hoạt động NC&PT công nghệ sinh học biển. Nuôi cấy cung cấp một phương tiện để phân tích chuyên sâu các mạng lưới và hệ thống sinh hóa và bảo tồn tài nguyên biển trong ngân hàng sinh học. Tính chất cộng sinh phức tạp của các sinh vật biển có nghĩa là các phương pháp nuôi cấy mới sẽ cần cho nghiên cứu cơ bản (ví dụ: sinh vật mô hình, sàng lọc). Đặc biệt, các phương pháp và phương tiện mới có thể được phát triển nhờ tri thức từ các nghiên cứu trong lĩnh vực metagenomics (và các cộng đồng vi sinh liên quan), cho phép truyền thông hoặc truyền tín hiệu giữa các tế bào, có thể được nuôi cấy như sinh vật “chưa được nuôi cấy” và sinh vật cộng sinh. Các phương pháp nuôi cấy mới dựa vào hoạt động trao đổi chất giữa các cá thể của cộng đồng vi khuẩn, là sự thay đổi triệt để từ cách tiếp cận “phân lập và làm phong phú” thông thường sang nuôi cấy tế bào. Ở quy mô sản xuất, nuôi cấy có thể là giải pháp xử lý vấn đề khai thác thiếu bền vững và cần cho sản xuất bền vững nhiều hợp chất/phân tử/enzyme mới. Các quy trình mới dao động từ việc tối ưu hóa các nhà máy lọc dầu sinh học để sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo, nuôi cấy các sinh vật biến đổi gen (GMO) để sản xuất dược phẩm cho đến nuôi cấy vi khuẩn và virus trong phòng thí nghiệm phục vụ phát triển các dòng tế bào mới. Bộ sưu tập mẫu vật sinh học (hoặc các thành phần của chúng) có thể được sử dụng để phân tích và bảo tồn đa dạng sinh học, tạo thuận lợi cho việc trao đổi tài nguyên và phát triển các sinh vật mô hình. Ngân hàng sinh học chứa các mẫu nuôi cấy sống, lưu trữ axit nucleic, thư viện giải nén (như được thu thập từ các công cụ và phương tiện sắc ký mới) và thư viện hợp chất (cho phép nghiên cứu cấu trúc, chức năng và nguồn gốc) có thể thúc đẩy sự phát triển của các phân tử, hợp chất và chất hoạt tính sinh học mới. Việc phát 35 triển các kỹ thuật và khả năng bảo quản cryo mới cũng có thể hỗ trợ xây dựng ngân hàng sinh học và nuôi cấy ấu trùng và sinh vật biển trên quy mô thương mại. Cơ sở dữ liệu Cơ sở dữ liệu là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu về các nguồn tài nguyên sinh vật biển và đa dạng sinh học. Hiện đã có một số cơ sở dữ liệu chứa nhiều loại thông tin khác nhau. Cơ sở dữ liệu sinh vật biển (WORMS) được xây dựng như một nỗ lực toàn cầu để lập danh mục tất cả các loài sinh vật biển. Dự án này có sự tham gia của 270 chuyên gia phân loại đến từ 185 tổ chức tại 38 quốc gia và cơ sở dữ liệu mô tả 215.000 loài. WORMS có thể được truy cập trên Internet và được phân chia thành các cổng phụ cho những nhóm phân loại khác nhau. Hệ thống Thông tin sinh - địa lý đại dương (OBIS) của UNESCO-IOC/IODE là nguồn cung cấp thông tin lớn nhất về sự phân bố của các loài sinh vật biển và là sự kế thừa dữ liệu của Cuộc điều tra sinh vật biển (COML) kéo dài 10 năm. OBIS chứa 32 triệu bản ghi từ 1.000 bộ dữ liệu và hơn 100.000 loài sinh vật biển. Cơ sở dữ liệu này là một nguồn tài nguyên phong phú để nghiên cứu sinh vật biển và đa dạng sinh học trong môi trường biển. Cả hai cơ sở dữ liệu đó đều có thể được truy cập công khai và có nền tảng quốc tế. Tuy nhiên, để duy trì các cơ sở dữ liệu này, sẽ cần tiếp cận mạng lưới các trạm, giàn khoan trên biển và đài quan sát. Ngoài ra cũng sẽ cần thu hút một nhóm các chuyên gia phân loại để đảm bảo dữ liệu có chất lượng cao. Công việc này mở ra cơ hội hợp tác. Ví dụ, việc thiết lập các đài quan sát biển sẽ cung cấp cơ hội thu gom các mẫu vật liệu dư thừa và mẫu nước biển để bảo tồn ở trong và ngoài các ngân hàng sinh học phục vụ cho sử dụng về sau và cho các công nghệ trong tương lai. Ngoài ra còn có nhu cầu kết nối thông tin trong các cơ sở dữ liệu với thông tin di truyền, loài và nơi cư trú trong các cơ sở dữ liệu khác. Cuối cùng, việc chuẩn hóa các phương thức thu gom và phân loại mẫu sẽ tạo thuận lợi cho việc đồng bộ hóa công việc của các nhóm nghiên cứu khác, giúp chia sẻ thông tin dễ dàng hơn Nền tảng sàng lọc và phân tích Dữ liệu lập trình tự gen (từ toàn bộ dữ liệu bộ gen đến dữ liệu metagenomics) từ môi trường biển chắc chắn là loại thông tin chính được sử dụng trong NC&PT công nghệ sinh học biển. Các dữ liệu được xây dựng nhanh chóng với chi phí ngày càng rẻ và đây là hạ tầng NC&PT hiện tại đầy thách thức. Có lẽ thách thức trước mắt đối với công nghệ sinh học biển là sự phát triển các công 36 cụ và nền tảng thúc đẩy sàng lọc thông lượng cao các thông tin liên quan đến “omics”. Kỹ thuật sàng lọc tìm cách so sánh dữ liệu chuỗi với thông tin về các gen đã biết (bao gồm các sản phẩm gen và tài liệu về biểu hiện gen) để suy ra cấu trúc, chức năng hoặc nhận dạng trình tự hoặc sinh vật được quan tâm. Các phương thức sàng lọc trước đây chủ yếu dựa vào so sánh với các chuỗi ADN được chú thích (và thông tin liên quan) trong các cơ sở dữ liệu như Ngân hàng gen hoặc Cổng tin sinh học về gen của sinh vật biển châu Âu (MGE). Tuy nhiên, do thiếu thông tin về tài nguyên sinh vật biển và tốc độ dữ liệu chuỗi mới đang được tạo ra, nên các phương pháp này được chứng minh là không đủ để chú thích chính xác về chuỗi gen cho các sinh vật biển mới. Hạ tầng hiện tại cũng gặp khó khăn do tính đa dạng sinh học và phức tạp của môi trường biển, đòi hỏi phải đưa ra các phương pháp và nền tảng mới để liên kết kiểu gen với kiểu hình từ các tế bào đơn lẻ cho đến các hệ sinh thái. Các hệ thống mô hình, bao gồm các mô hình silico (Lerman và cộng sự, 2012), đã được phát triển cho nhiều sinh vật nhằm thu hẹp khoảng cách giữa kiểu gen và kiểu hình. Các sinh vật mô hình cung cấp một phương tiện để hiểu rõ hơn về các quá trình sinh hóa và từ đó, xác định các con đường để thay đổi mục tiêu phát triển hoặc sản xuất quy mô lớn hơn. Các mô hình này tồn tại đối với một số loài sinh vật biển có tầm quan trọng về y tế, công nghiệp hoặc thương mại (ví dụ: cá hồi và nhím biển) hoặc cho nghiên cứu tiến hóa hoặc phát triển (ví dụ sâu biển annelid). Các hệ thống mô hình hỗ trợ cả nghiên cứu cơ bản và phát triển công nghệ sinh học biển tiên tiến và qua đó đẩy mạnh phương pháp tiếp cận dựa vào hệ thống để chú giải bộ gen và làm sáng tỏ các chức năng mới của gen. Trong các giai đoạn phát triển, các hệ thống mô hình có thể được sử dụng để tiếp cận hoặc khai thác các sinh vật hoặc các chất dẫn xuất cần thiết. Sinh học tổng hợp cuối cùng sẽ được ứng dụng trong lĩnh vực này, nhưng cho đến khi đó, các sinh vật mô hình có thể giúp xác định và điều chỉnh các con đường chi phí - hiệu quả để khai thác hoặc sản xuất các hợp chất chức năng hoặc sinh vật có ích. Các hệ thống mô hình sẽ đặc biệt hữu ích cho nghiên cứu các hệ hoặc lớp sinh vật mới và vi khuẩn chịu cực hạn, được coi là một nguồn đồ sộ cung cấp các chức năng mới. Định nghĩa về các hệ thống mô hình sẽ cần được mở rộng để tính đến các hệ sinh thái và các đài quan sát đại dương nhằm đánh giá phản ứng của cộng đồng sinh vật biển đối với sự xáo trộn môi trường. Khái niệm "bộ gen tối thiểu" cung cấp một phương tiện hữu ích để liên kết các gen với các chức năng và có ích trong việc xác định các con đường chuyển hóa tối thiểu và liên kết các gen với chức năng. Ví dụ, Dufresne et al (2003) đã công bố chuỗi gen của Prochlorococcus marinus, một trong những sinh vật biển quang hợp chiếm ưu thế ở đại 37 dương. Đây là một trong những sinh vật quang hợp nhỏ nhất. Sử dụng cả sinh vật mô hình và bộ gen tối thiểu, có thể xác định và gán chức năng cho các gen chưa biết. Trong những năm gần đây, một số cơ sở dữ liệu đã được xây dựng để thúc đẩy việc phân tích so sánh giữa các loài. Các cơ sở dữ liệu này là nền tảng của công nghệ sinh học biển và chứa dữ liệu phân tử và hệ gen của các cộng đồng vi sinh vật và bộ gen riêng lẻ. Giống như hệ thống Gen vi khuẩn tích hợp (IMG), các cơ sở dữ liệu hoạt động như một nguồn tài nguyên chung để phân tích so sánh và chú thích tất cả các bộ gen được công bố công khai. Chúng được cung cấp miễn phí và công khai. Sự phức tạp của dữ liệu metagenomic gây khó khăn cho việc chú thích liên kết kiểu gen và kiểu hình. Thách thức này được Chisholm và Cary (2001) nêu rõ: “Hiểu biết về di truyền và sinh hóa của chúng ta về quá trình trao đổi chất và các chức năng khác nhau của tế bào, chủ yếu dựa vào nghiên cứu các con đường hoàn chỉnh trong tế bào. Tuy nhiên, các cộng đồng vi sinh vật là một tập hợp các chức năng gen được phân bố giữa các cá thể, tạo thành các con đường định hướng trao đổi chất và năng lượng bên trong và giữa các vi khuẩn. Không có sinh vật nào chứa tất cả các gen cần thiết để thực hiện các phản ứng địa sinh học đa dạng cấu thành chức năng của cộng đồng sinh thái”. Việc hiện thực hóa vấn đề này có ý nghĩa quan trọng đối với phương thức các chức năng gen được xác định hoặc phân loại trong các nhóm vi sinh vật cộng sinh hoặc có liên quan, thành các đơn vị chọn lọc, sử dụng hoặc bảo tồn có ý nghĩa. Sự phức tạp của các cộng đồng vi sinh vật đang thúc đẩy sự phát triển của làn sóng hạ tầng điện tử mới. Đặc biệt quan trọng sẽ là sự phát triển của các dịch vụ tương tác cho phép tải thông tin người dùng phục vụ phân tích và trực quan hóa, cũng như cho phép nghiên cứu so sánh genomics và metagenomics. Hạ tầng điện tử cần chú trọng tính đa chiều trong dữ liệu di truyền của sinh vật biển, bao gồm các tính chất vật lý, hóa học và thông tin phân tử để tích hợp siêu dữ liệu với thông tin về trình tự gen trong con đường phân loại và trao đổi chất. Sự hình thành của các nền tảng quản lý dữ liệu mới và dịch vụ thông tin và sự ra đời của các sản phẩm dữ liệu như phân tích hình ảnh và dịch vụ web, được xem là những cơ hội để phát triển bộ gen của sinh vật biển và công nghệ sinh học. Phát triển hạ tầng cần thiết sẽ là công việc có ý nghĩa về tài chính, cấu trúc và hoạt động. Hoạt động này sẽ liên quan đến việc xem xét các tài nguyên sinh vật biển và có thể được hưởng lợi từ sự chú trọng của chính sách. Trước đây, hợp tác quốc gia hoặc đa phương về hạ tầng nghiên cứu đã được chứng minh ở khía cạnh chia sẻ chi phí hoặc nhu cầu xây dựng các nền kinh tế quy mô. 38 3.2. Hợp tác quốc tế để thúc đẩy đổi mới hạ tầng NC&PT Chiến lược Đổi mới OECD thừa nhận tác động của các mạng lưới tri thức hoạt động đến hiệu quả của quá trình đổi mới, cả kích thích đổi mới lẫn nâng cao hiệu quả đổi mới bằng cách giảm chi phí giao dịch. Khi công nghệ sinh học biển trở thành trọng tâm của các chiến lược đầu tư và đổi mới sáng tạo, thì điều quan trọng sẽ là phải đảm bảo xây dựng các cơ chế, chia sẻ và mang lại giá trị cho tri thức kích thích đổi mới sáng tạo. Do tính chất toàn cầu của các tài nguyên sinh vật biển, nên cũng sẽ hữu ích khi xem xét các phương pháp tiếp cận quốc tế, xuyên biên giới để đẩy mạnh đổi mới sáng tạo hạ tầng NC&PT. Sự tồn tại của một số chương trình và sáng kiến tài trợ công nghệ sinh học biển cho thấy giá trị của hợp tác quốc tế và đầu tư thúc đẩy phát triển tri thức đã được công nhận. Sáng kiến chương trình chung EU: Phương thức hợp tác đầu tư trong khu vực Trong Liên minh châu Âu (EU), Sáng kiến chương trình chung (JPI) cung cấp một mô hình chia sẻ tài nguyên và đồng sáng tạo tri thức. JPI phát triển từ việc thừa nhận rằng “Châu Âu không chỉ cần đầu tư nhiều hơn cho nghiên cứu, mà còn phải đầu tư hiệu quả hơn nếu muốn đạt được tầm nhìn đã công bố về sự phát triển cân bằng và bền vững”. Mục đích của JPI Oceans (www.jpi-oceans.edu) là nhằm tăng giá trị đầu tư NC&PT quốc gia cho nghiên cứu đại dương trong khuôn khổ Liên minh châu Âu nhằm tránh sự phân khúc và sao chép không cần thiết NC&PT, tìm kiếm sự phối hợp và tạo điều kiện cho các loại hình hợp tác khác nhau đáp ứng các mục tiêu chính sách và những thách thức toàn cầu. Những lợi ích của JPI Oceans bao gồm triển vọng lâu dài (10-15 năm), mức độ cam kết cao và sự tham gia tự nguyện vào nhiều hoạt động khác nhau. JPI Oceans sẽ chú trọng phát triển các sản phẩm sinh học mới để điều trị y tế; công nghệ sinh học áp dụng cho nuôi trồng thuỷ sản; nhiên liệu sinh học từ tảo biển; sàng lọc đa dạng di truyền biển; phát triển các cảm biến sinh học biển để theo dõi môi trường; và giảm thiểu tác động của con người và biến đổi khí hậu đến đại dương. Sáng kiến này là một dấu hiệu cho thấy cần quan tâm hơn nữa đến hợp tác nghiên cứu quốc tế về các mục tiêu, tri thức và thách thức chung. ERA-NET của EU (Đề án Mạng lưới nghiên cứu châu Âu) cũng được thiết kế để thúc đẩy hợp tác giữa các chương trình nghiên cứu quốc gia và khu vực. Các hoạt động ERA-NET liên quan đến công nghệ sinh học biển trong khuôn khổ Chương trình Khung lần thứ 7 của EU (FP7) nhằm mục đích hợp tác xuyên quốc gia trong lĩnh vực này. 39 Hợp tác khu vực là trọng tâm Ủy ban khoa học Địa Trung Hải (CIESM), được thành lập vào năm 1908, là một ví dụ về lấy hợp tác quốc tế là trọng tâm. Ủy ban bao gồm 22 quốc gia thành viên, hỗ trợ hàng nghìn nhà nghiên cứu biển làm công việc tìm hiểu, theo dõi và bảo vệ Biển Địa Trung Hải đang bị thay đổi với tốc nhanh chóng và đầy căng thẳng. CIESM có cách tiếp cận đa ngành và khuyến khích trao đổi các tiêu chuẩn và ý tưởng khoa học và duy trì một cuộc đối thoại mang tính xây dựng xung quanh các lưu vực của biển Địa Trung Hải và Biển Đen. Do đó, khu vực này được hưởng lợi từ sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và người dân. Trung tâm tài nguyên sinh vật biển châu Âu: Hạ tầng phân tán Trung tâm tài nguyên sinh vật biển châu Âu (EMBRC) có sự hợp tác của 12 trạm hàng hải hàng đầu và EMBL (Phòng thí nghiệm sinh học phân tử châu Âu) ứng dụng các công nghệ mới nhất để nghiên cứu sinh vật biển (vi khuẩn, động, thực vật). Thông qua mạng lưới hạ tầng nghiên cứu được phân bố với các cơ sở nghiên cứu và đào tạo tiên tiến, EMBRC cho phép cộng đồng khoa học rộng lớn, bao gồm các trường đại học và ngành công nghiệp truy cập thông tin về sinh vật biển, các cơ sở thủy sinh và các nền tảng chuyên dụng cho hệ gen, cấu trúc và chức năng sinh học, kính hiển vi và tin sinh học. Thông qua mạng lưới, EMBRC đặt mục tiêu cung cấp hỗ trợ toàn diện (bao gồm cả đào tạo liên ngành) để khai thác tài nguyên biển theo hướng thông minh và bền vững. Trung tâm nghiên cứu Biển Đỏ: Hợp tác quốc tế với trọng tâm hướng vào khu vực Trung tâm Nghiên cứu Biển Đỏ thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST) là một ví dụ khác về hợp tác quốc tế với trọng tâm hướng vào khu vực. Trung tâm này cùng với các cộng tác viên đến từ Vương quốc Anh, Hoa Kỳ, Hà Lan, Hồng Kông (Trung Quốc) và bán đảo Ả Rập, đang nỗ lực phát triển nền tảng khoa học để duy trì và bảo tồn môi trường rạn san hô dọc bờ Biển Đỏ của Ả Rập Saudi. Nhóm nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận đa ngành để tìm hiểu hệ sinh thái rạn san hô và bối cảnh môi trường biển, bao gồm môi trường vật lý, hóa học, sinh học và địa chất và các sức ép từ tự nhiên cũng như con người như đánh bắt quá mức, ô nhiễm, phát triển ven biển và biến đổi khí hậu toàn cầu . BioMarks: Hợp tác quốc tế ở quy mô trung bình Trái ngược với các quan hệ hợp tác khác đã được mô tả, BioMarks (Đa dạng sinh học của các sinh vật nhân thực ở biển) là quan hệ hợp tác quốc tế tương đối nhỏ của tám tổ chức nghiên cứu EU tại bốn quốc gia. Mục tiêu hợp tác là nhằm phát triển 40 "metagenetics" hoặc "metabarcoding"7 để tạo thuận lợi cho nghiên cứu đa dạng sinh học toàn cầu. Nhóm nghiên cứu đang giải quyết thách thức cụ thể, đó là: sự phát triển của chỉ dấu sinh học (metabarcode) mô tả sự đa dạng của phân loại, di truyền và trao đổi chất của môi trường tự nhiên. 30 thành viên của nhóm đa ngành này đã nghiên cứu đa dạng sinh học của sinh vật đơn bào ven biển thông qua lập trình tự rDNA được tích hợp vào một mạng lưới phân loại và siêu dữ liệu về kiểu hình và môi trường toàn diện. Nếu thành công, phương pháp metabarcoding và dữ liệu metagenomic có thể được sử dụng để quan trắc sinh học cho các địa điểm bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người, phục vụ tìm hiểu hoạt động của các hệ sinh thái toàn cầu và khắc phục những thay đổi môi trường trước đây. Công trình này cũng sẽ cung cấp nền tảng cho việc chú giải về trình tự gen và metagenomics của sinh vật nhân thực được kiểm soát về phân loại trong tương lai. Khi các chính phủ xem xét đầu tư và phát triển hạ tầng nghiên cứu công nghệ sinh học biển, thì điều quan trọng là phải tính đến những bài học kinh nghiệm từ sáng kiến này và cả những sáng kiến khác. Sẽ rất hữu ích khi xem xét kết hợp các sáng kiến và phương thức để đạt hiệu quả tốt nhất. Bên cạnh đó, cũng cần xác định phương thức các nước phát triển chia sẻ hạ tầng khoa học và công nghệ với các nền kinh tế mới nổi và các nước đang phát triển. Nếu giải quyết vấn đề một cách ổn thỏa, hạ tầng khoa học và công nghệ chia sẻ có thể thay đổi cách thức và tốc độ tri thức được tạo ra và sử dụng. Siêu dự án công nghệ sinh học biển Trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật hoặc công nghệ khác, các dự án quốc gia hoặc quốc tế quy mô lớn đã chú trọng về tài chính và chính trị để phát triển hạ tầng cần thiết. Cách tiếp cận này là rất quan trọng để thành công trong các lĩnh vực như Dự án Bộ gen người (HGP). Hơn hai thập kỷ sau khi bắt đầu, dự án HGP thường được sử dụng để minh họa lợi ích của hợp tác quốc tế và phát triển hạ tầng: giảm trùng lắp, chia sẻ dữ liệu dễ hơn, hạ tầng lớn và gắn kết hơn; Từ năm 1990 đến 2003, HPG thu hút đầu tư lớn (3,8 tỷ USD từ chính phủ Hoa Kỳ) và hạ tầng cho nỗ lực xác định trình tự của các cặp base hóa học tạo nên ADN, cũng như xác định và lập bản đồ khoảng từ 20.000 - 25.000 gen của bộ gen người. Dự án HGP kết thúc vào năm 2003, đã để lại một di sản về hạ tầng gen và tin sinh học, tiếp tục được sử dụng và phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu quốc tế trong cả khu vực công và tư. Bản chất bền vững của di sản này tương phản với một số dự án "khoa học 7 Metabarcoding is phương pháp đánh giá đa dạng sinh học bằng cách kết hợp hai công nghệ: công nghệ xác định dựa vào ADN và công nghệ lập trình tự ADN thông lượng cao 41 lớn" khác có vòng đời hữu hạn như dự án Super Collond Super Collider (11 tỷ USD, ước tính kéo dài 30 năm) và Dự án Kính viễn vọng Không gian Hubble (1,5 tỷ USD, kéo dài khoảng 15-20 năm). Dự án HGP cũng có sự thay đổi ở chỗ nó minh họa tiềm năng sinh học như một động lực kinh tế. Chính phủ Hoa Kỳ đầu tư cho dự án HGP với tư cách là yếu tố quan trọng để tạo ra sản lượng kinh tế 796 tỷ USD, mang lại lợi tức đầu tư cho nền kinh tế Hoa Kỳ. Chỉ tính riêng trong năm 2010, ngành công nghiệp được thúc đẩy phát triển bởi genomics đã tạo ra hơn 3,7 tỷ USD tiền thuế liên bang và 2,3 tỷ USD thuế tiểu bang và địa phương. Trong vòng một năm, chính phủ đã đạt mức doanh thu gần bằng tổng đầu tư trong 13 năm cho dự án HGP. Cũng trong năm 2010, các dự án lập trình tự bộ gen người và nghiên cứu liên quan, cũng như hoạt động công nghiệp đã tạo ra 310.000 việc làm theo cách trực tiếp và gián tiếp. Một ví dụ gần đây là Dự án 1.000 bộ gen, nỗ lực nghiên cứu quốc tế để xây dựng danh mục chi tiết về biến đổi di truyền ở người thông qua sắp xếp bộ gen của 1.000 cá thể. Siêu dự án quốc tế này tìm cách tạo ra hơn 8,2 tỷ base mỗi ngày (tương đương với hai bộ gen/ngày), một kỳ tích không thể có được cách đây vài năm. Trong suốt thời gian ba năm, dự án 1000 bộ gen tạo ra được khối lượng dữ liệu về trình tự gen lớn gấp 60 lần dữ liệu đã được lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu ADN công khai trong suốt ¼ thế kỷ qua. Dự án này sẽ tạo nên một nguồn tài nguyên tin sinh học và thống kê to lớn cho các nhà nghiên cứu và chắc chắn sẽ thúc đẩy đổi mới trong việc phân tích và giải thích dữ liệu. Những ví dụ này cho thấy các sáng kiến và đầu tư quốc tế trên quy mô lớn có thể tạo ra hạ tầng quan trọng và mang lại lợi tức đầu tư hữu hình và có thể định lượng. Kinh phí và hỗ trợ của chính phủ sẽ góp phần to lớn trong việc phát triển hạ tầng nghiên cứu công nghệ sinh học biển. Thành công của các siêu dự án về bộ gen người đã mở ra hy vọng các siêu dự án công nghệ sinh học biển cũng có thể thành công. Một trong những dự án đầu tiên này là lập trình tự gen cho cá nóc hổ, được khởi động vào năm 1989 để cung cấp thông tin cho nghiên cứu chức năng bộ gen người. Gần đây, các loài được nuôi trồng thủy sản có giá trị quan trọng về mặt thương mại đã xúc tác cho hoạt động hợp tác quốc tế trên quy mô lớn và dẫn đến việc lập bản đồ hoặc lập trình tự gen của cá hồi và cá tuyết. Vi khuẩn biển cũng là trọng tâm của các sáng kiến quốc tế quan trọng. Tuy nhiên vẫn còn có những câu hỏi về giá trị và tính khả thi của các dự án công nghệ sinh học biển. "Những yếu tố nào sẽ thúc đẩy các dự án này”, "Chi phí và thời gian thực hiện dự án được dự báo ra sao và những rủi ro là gì?", "Hợp tác quốc tế có thể được tổ chức ra sao?", “Những rào cản cho các siêu dự án này hiện có quá lớn hay không do lo ngại về sự phức tạp của môi trường biển hoặc cơ cấu hợp tác quốc tế? ” Một số nội dung cần cân nhắc làm tăng nhu cầu tìm hiểu bản chất của thách thức công 42 nghệ sinh học biển và sẽ gây ảnh hưởng đến phạm vi và trọng tâm của siêu dự án tiềm năng. Thách thức đầu tiên là hiểu rõ hơn về sự phức tạp lớn, chưa được nghiên cứu của các sinh vật biển và hệ sinh thái biển. Gần như không thể hiểu được toàn bộ sinh vật và hệ sinh thái biển. Đồng thời, không thể tập trung vào một sinh vật - đây không phải là dự án “bộ gen người” - vì vậy, sẽ cần phải xem xét loại hình và khối lượng thông tin cần cho một dự án công nghệ sinh học biển. Sau đó, sẽ phải xác định hạ tầng nghiên cứu nào là cần thiết và phương thức phát triển nó, ví dụ cơ sở hạ tầng đang được phát triển trong các lĩnh vực khác hoặc bởi các siêu dự án khác. Nhiều tổ chức có quyền hạn nhất định trong việc giám sát và quản lý đại dương, trong số đó, một vài tổ chức có nguồn lực và vốn lớn, trong khi số khác lại có rất ít. Tuy nhiên, không một cơ quan thẩm quyền nào có khả năng thu hút sự quan tâm và nguồn lực của các tổ chức và bang tách biệt, thường cạnh tranh để được thực hiện siêu dự án. Trong trường hợp không có cơ quan thẩm quyền, các bang và các bên liên quan sẽ cần phối hợp để xác định phạm vi của dự án và tập trung nguồn lực. Các siêu dự án thành công đã tập trung tạo ra tri thức ở cấp độ cơ bản (ví dụ lập trình tự bộ gen người, lập bản đồ biến thể di truyền ở người). Đối với một dự án về biển, đa dạng sinh học - cốt lõi của năng suất và tính bền vững - có thể là sự tương đồng phù hợp. Dự án cũng sẽ cần cạnh tranh về nguồn lực và hỗ trợ tài chính với các sáng kiến khác của chính phủ và các siêu dự án quốc tế. Có thể nói, hiện nay, công nghệ sinh học biển lại được nhiều nước OECD quan tâm là do những tiến bộ khoa học và công nghệ trong thập kỷ qua. Những tiến bộ này cho phép tiếp cận hiệu quả hơn với các sinh vật biển, đặc biệt là các vi sinh vật biển chứa đựng tiềm năng lớn của công nghệ sinh học biển. Thông tin chuỗi ADN liên quan đến các vi sinh vật này có thể được cung cấp với tốc độ nhanh hơn khả năng phân tích thông tin, mà chỉ mất ít chi phí. Nhìn chung, hai thách thức chính đang định hình nhu cầu hạ tầng của lĩnh vực này. Thách thức đầu tiên liên quan đến số lượng dữ liệu về sinh vật biển gây khó khăn cho việc mô tả hoặc phân loại cấu trúc và chức năng chung. Nếu không có thông tin phân loại hoặc kết hợp dữ liệu di truyền và dữ liệu kiểu hình, thì rất khó để đánh giá tiềm năng của một sinh vật hoặc khía cạnh di truyền của nó. Đối với vi khuẩn vô hình và sinh vật đa bào lớn hơn, nhu cầu về các hệ thống mô hình cho phép nghiên cứu từ trên xuống và từ dưới lên về biểu hiện gen ở cấp độ cá thể, quần thể, cộng đồng và hệ sinh thái. Dữ liệu thu được sẽ cần có cơ sở hạ tầng để kết nối các thông tin di truyền, loài và nơi cư trú. Để đạt hiệu quả cao nhất, cần xây dựng và phân phối hạ tầng dữ liệu và thông tin toàn cầu. Các cơ sở dữ liệu này phải là vĩnh viễn và cung cấp cho tất cả người dùng quyền truy cập mở và miễn phí toàn bộ dữ liệu. Thách thức thứ hai là thiếu nền tảng phân tích để xử lý dữ liệu một cách hiệu quả và bắt kịp tốc độ hình thành dữ liệu. Khó khăn này cùng với sự phức tạp của các mẫu (ví dụ metagenomes) cần được xử lý, đang làm nảy sinh nhu cầu về hạ tầng điện tử mới (ví dụ các 43 nền tảng quản lý dữ liệu mới và dịch vụ thông tin, tạo ra các dịch vụ web và phân tích hình ảnh) để phân tích hiệu quả hơn cơ sở dữ liệu, đặc biệt là các cơ sở dữ liệu chứa nhiều loại thông tin khác nhau. Phân tích quy mô lớn này sẽ rất quan trọng để hiểu hơn về đa dạng sinh học của các hệ sinh thái biển. Được kết hợp đúng vào các chiến lược dự báo và theo dõi theo thời gian, phân tích dữ liệu sẽ hữu ích cho việc dự báo phản ứng môi trường trước những xáo trộn tự nhiên và do con người gây ra. Các nguồn lực này sẽ đòi hỏi những khoản đầu tư lớn và sẽ được hưởng lợi từ hợp tác đa quốc gia và giữa nhiều bên. Dù hợp tác quốc tế giải quyết được một số khía cạnh của công nghệ sinh học biển, nhưng ít sáng kiến quốc tế tập trung vào những thách thức này. Nỗ lực hiện nay trong lĩnh vực công nghệ sinh học biển thường được triển khai bởi các nhóm nhỏ hoặc các quốc gia riêng lẻ. Do vậy, cần có sự phối hợp giữa các dự án này để giảm tình trạng sao chép dự án. Tiến bộ khoa học trong các lĩnh vực khác sẽ giúp phổ biến thông tin công nghệ sinh học biển. Đây là trường hợp của công nghệ lập trình tự gen thế hệ mới bắt nguồn từ việc đầu tư cho dự án Bộ gen người và cũng là trường hợp của những tiến bộ bắt nguồn từ dự án 1.000 bộ gen. Tuy nhiên, một số tính chất độc đáo của công nghệ sinh học biển (quy mô, tính phức tạp và tính đa dạng chưa được khai thác của đa số sinh vật biển) có thể dẫn đến việc triển khai siêu dự án tập trung vào các sinh vật biển. Chi tiết của dự án vẫn cần được xác định nhưng có thể mang lại giá trị lớn cho các chính phủ muốn cải thiện năng suất và tính bền vững của công nghệ sinh học biển. KẾT LUẬN Những tiến bộ về khoa học di truyền và các công nghệ liên quan đã khiến nhiều quốc gia chú ý đến công nghệ sinh học biển. Các sinh vật biển, trước đây khó tiếp cận nhưng giờ có thể được nghiên cứu nhanh chóng và chi tiết chưa từng có. Phân tích bộ gen và metagenomics của sinh vật biển và môi trường biển cho thấy tính phức tạp và đa dạng sinh học của hệ sinh thái biển. Theo tất cả các ước tính, đa dạng sinh học biển cao hơn so với đa dạng sinh học của môi trường trên cạn, nhưng phần lớn vẫn chưa được khai thác. Tuy nhiên, các tài nguyên sinh vật biển có thể là một nguồn to lớn cung cấp các quy trình và nguyên lý sinh học và hóa học mới, từ đó có thể được phân lập, mô hình hóa hoặc sản xuất các hợp chất sinh học mới. Công nghệ sinh học biển ngày càng được thừa nhận là một nguồn đổi mới sáng tạo tiềm năng. Những tiến bộ về genomics và khoa học máy tính đã làm thay đổi quan điểm trước đây về đại dương. Đại dương không chỉ là một nguồn thức ăn và phương tiện vận chuyển hàng hóa, mà còn là bể chứa lớn tiềm năng di truyền và cũng là một phương thức để thu được nhiều lợi ích kinh tế - xã hội. Việc ứng dụng công nghệ sinh học biển trong một số lĩnh vực cho thấy nó có thể giúp giải quyết những thách thức toàn cầu về sức khỏe dân số, an ninh 44 lương thực và nhiên liệu và các quy trình công nghiệp xanh hơn. Tiềm năng kinh tế của công nghệ sinh học biển xem ra rất lớn và đang gia tăng. Năm 2010, thị trường công nghệ sinh học biển ước tính đạt 2,5 tỷ USD với mức tăng trưởng hàng năm dao động từ 4-12% tùy theo mô hình được sử dụng. Sự phát triển của công nghệ sinh học biển dự kiến sẽ tạo việc làm mới dọc theo chuỗi giá trị từ viện nghiên cứu đến ngành công nghiệp hàng hải và các lĩnh vực như dược phẩm, thực phẩm, chế biến công nghiệp và dinh dưỡng. Để bảo vệ môi trường biển và khai thác lợi ích kinh tế và xã hội từ công nghệ sinh học biển sẽ đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về tài nguyên sinh vật biển và hệ sinh thái của chúng. Ngoài ra cũng cần có hạ tầng NC&PT phù hợp để cho phép tạo ra, phân tích, chia sẻ và phổ biến kiến thức về tài nguyên sinh vật biển. Công nghệ sinh học biển đã được hưởng lợi đáng kể từ đầu tư NC&PT khoa học sự sống trước đây, đặc biệt cho bộ gen người. Việc lập trình tự bộ gen không còn là rào cản như cách đây một thập kỷ và nhận thức của chúng ta về tài nguyên sinh vật biển đã được nâng lên đáng kể. Phân tích metagenomics đang cung cấp một phương tiện để tiếp cận và nghiên cứu sự phức tạp của môi trường biển nhưng nó cũng cho thấy sự thiếu hụt trong việc NC&PT công nghệ sinh học biển, do nhận thức còn hạn chế về tài nguyên sinh vật biển. Việc tiếp cận tài nguyên sinh vật biển đặc biệt nằm sâu dưới đại dương vẫn là một thách thức. Tính phức tạp và mới lạ của các tài nguyên sinh vật biển làm cho việc chú thích dữ liệu trở nên khó khăn. Do đó, cần có cơ sở hạ tầng mới với các mô hình mới, hệ thống nuôi cấy mới và các công cụ dựa vào tin sinh học mới để hình dung và phân tích bộ gen và các loại dữ liệu khác. Chính phủ và các tổ chức tư nhân trên toàn thế giới nên tập trung vào môi trường biển và nỗ lực khai thác tiềm năng của biển bằng cách sử dụng phương pháp và tri thức về công nghệ sinh học biển. Tuy nhiên, một số đặc trưng của tài nguyên sinh vật biển cần có nghiên cứu chính sách mới để đảm bảo đưa các tiến bộ khoa học và công nghệ mới vào các sản phẩm khả thi thương mại theo cách bền vững về môi trường. Thực hiện: ThS. Nguyễn Phương Dung 45 Tài liệu tham khảo 1. OECD 2013, Marine Biotechnology: ENABLING SOLUTIONS FOR OCEAN PRODUCTIVITY AND SUSTAINABILITY, 2. Andre, R., N. Tahir, F. Natalio and W. Tremel (2012), Translating the genetically controlled mechanism of biosilification to the bioinspired synthesis of multifunctiona 3. Christensen, L. and R. Sims (2011), Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts, Biotechnology Advances 29:686-702. 4. Anonymous (2005), Prospects for Marine Biotechnology in the UK, Vol. 2. 5. European Commission (2012), Innovating for Sustainable Growth: A Bioeconomy for Europe able_growth_en.pdf, accessed August 2012. 6. Full title: Joint Programming Initiative, Healthy and Productive Seas and Oceans.