Công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học (CNSH) thực sự trở thành một ngành công nghiệp vào cuối thập kỷ 70, nhưng nó đã được đề cập và tiên đoán tiềm năng phát triển từ 60 năm trước đó. CNSH là tập hợp các khám phá khoa học và kỹ thuật thí nghiệm cho phép các nhà khoa học thao tác và sử dụng các hệ thống sinh học trong nghiên cứu cơ bản và phát triển các sản phẩm thương mại. Với nền tảng là công nghệ tái tổ hợp, CNSH đã và đang có những bước tiến thần kỳ, với ngày càng nhiều ứng dụng mới.
CNSH hiện đại tập trung nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học.
Công nghệ nano
Nano theo tiếng Latinh nghĩa là nhỏ xíu. Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nano (1 nano=10-9m). Năm 1974, Nhà khoa học người Nhật, Tanigushi, lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Hiện tại, trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9, tức 1 phần tỷ met.
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc Chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano (CNNN) là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô nm.
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa CNNN là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử”.
Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng, trong đó “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống nhận được tính chất/chức năng mới, khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao.
CNSH nano
CNNN phát triển tất yếu dẫn tới nhu cầu tìm kiếm các mối liên kết giữa những vật có kích thước nano. Điều đó tự phát dẫn tới sinh học (lĩnh vực khoa học “nóng” nhất). Các nhà khoa học mong muốn sự giao thoa giữa CNSH và CNNN bởi lẽ CNNN mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới. Công nghệ này tạo ra sự hợp tác chưa từng có giữa các nhà khoa học vật liệu, vật lý học và sinh học. CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử. Hiện có nhiều cách định nghĩa khác nhau về CNSH nano. Ví dụ, CNSH nano là bất cứ ứng dụng nào của CNNN trong nghiên cứu sinh học bao gồm: phát minh dược phẩm, thiết bị dẫn nạp thuốc, công cụ chẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới.
Theo Viện Y tế Quốc gia Mỹ (NIH), CNSH nano là: 1) áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học và 2) Sử dụng hệ thống sinh học làm khung mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano.
Cần phân biệt giữa ‘Nano2Bio’ (sử dụng CNNN để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học), và ‘Bio2Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ thống kỹ thuật).
Hướng nghiên cứu chính
Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thần kỳ. Một số ví dụ như sau:
* Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học.
* Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật.
* Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau.
* Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống.
* Chuyển gen và đột biến điểm chính xác.
* Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch
* Công nghệ dẫn nạp thuốc hướng mục tiêu.
* Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ.
Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Một số công ty đã thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo 3 hướng nghiên cứu chính là: (i) Phân tích sinh học; (ii) Phân phối thuốc và liệu pháp; (iii) Thiết bị y học và cảm biến sinh học. Rõ ràng, có sự chồng chập giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác. Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Ôxtrâylia, Nhật Bản, Canada, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này.
Tiềm năng
Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, có thể thấy tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó.
Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho CNNN của các tổ chức thuộc Chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003. Tỷ lệ đầu tư cho nghiên cứu và đào tạo CNSH nano bằng khoảng 6% của công nghệ nano. Trong lĩnh vực tư nhân, các công ty lớn hiện tập trung ứng dụng CNNN cho vât liệu, hóa học, điện; đầu tư trong dược và các hệ thống sinh học nano khác ước tính khoảng 10%. Tuy nhiên, các công ty nhỏ và quỹ đầu tư mạo hiểm chi nhiều hơn trong lĩnh vực này (30-40%). Từ năm 1999, 52% trong số 900 triệu USD trong quỹ đầu tư mạo hiểm chi cho CNNN tập trung vào thiết lập CNSH nano. Trên thực tế, trong khi trong khi vốn đầu tư mạo hiểm suy giảm từ năm 2001 đến 2002, đầu tư vào CNSH nano lại tăng 313%. Sự tăng trưởng này do 2 yếu tố chủ chốt: Các ưu đãi của Chính phủ và sự khan hiếm các sáng chế y dược học. Trên 50% vốn đầu tư mạo hiểm trong 4 năm gần đây được chi cho các công ty hoạt động trong CNSH nano.
Theo Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ, thị trường CNSH nano đạt xấp xỉ 36 tỷ USD vào năm 2006.
Nguồn: Biology, 10/2006