Công nghệ sinh học biển
Công nghệ sinh học biển là việc tạo ra các sản phẩm và quy trình từ các sinh vật biển thông qua ứng dụng công nghệ sinh học, sinh học phân tử và tế bào, và tin sinh học. Đây là lĩnh vực khoa học liên quan đến việc khám phá đại dương để phát triển các loại thuốc dược phẩm mới, sản phẩm hóa học, enzyme và các sản phẩm và quy trình khác. Nó cũng liên quan đến việc thúc đẩy an toàn nuôi trồng thủy sản và hải sản, phục hồi sinh học, nhiên liệu sinh học, trong số những lĩnh vực khác.
Ứng dụng của công nghệ sinh học biển
Công nghệ sinh học nuôi trồng thủy sản: có tiềm năng cung cấp giải pháp cho nhiều vấn đề trong nuôi trồng thủy sản.
Về sinh sản: Một số loài thuỷ sản không thể đẻ trứng tự nhiên trong điều kiện nuôi nhốt. Trước đây, gonadotropin ở thuỷ sản, nhóm hormone kích thích sinh sản, được sản xuất với số lượng nhỏ bằng cách chiết xuất và tinh chế từ các chế phẩm thô của tuyến yên. Hiện nay, có thể sản xuất số lượng lớn gonadotropin tinh khiết cao trong phòng thí nghiệm thông qua công nghệ DNA tái tổ hợp.
Lưỡng tính là hiện tượng phổ biến ở nhiều loài loài hải sản sống trong rạn san hô. Một số loài là hải sản mang giới tính đực trong giai đoạn đầu của vòng đời và chuyển thành giới tính cái ở giai đoạn sau (lưỡng tính tiền nam) hoặc ngược lại (lưỡng tính tiền nữ). Luôn cần có cả hai giới trong đàn bố mẹ. Thông qua kỹ thuật di truyền, giới tính của loài có thể được điều chỉnh khi chúng trưởng thành.

Hình: Công nghệ sinh học biển là nguồn tài nguyên dồi giàu đang được giới khoa học quan tâm (Ảnh Internet)

Dinh dưỡng: các loài hải sản hoang dã dùng làm bột cá làm nguồn protein cho thức ăn thủy sản rất hạn chế. Do đó, nguồn protein từ thực vật là một lựa chọn bền vững với lợi thế bổ sung là rẻ hơn. Tuy nhiên, hầu hết các loại thực vật đều có đặc tính kháng dinh dưỡng không có lợi cho việc sử dụng thức ăn. Ví dụ, hải sản ăn thịt có khả năng hạn chế sử dụng carbohydrate do khả năng tiêu hóa polysaccharides. Để giải quyết mối lo ngại này, quá trình chuyển hóa carbohydrate của cá hồi đã được tăng cường thông qua kỹ thuật di truyền. Các gen vận chuyển glucose và hexokinase đã được chuyển vào cá hồi.
Dầu cá có tầm quan trọng về mặt kinh tế trong sản xuất thức ăn cho cá, cũng như đối với sức khỏe con người. Nhu cầu về dầu cá tiếp tục tăng cùng với sự mở rộng của ngành nuôi trồng thủy sản vì đây là nguồn lipid chính trong thức ăn cho thủy sản. Ngành nuôi trồng thủy sản chiếm tới gần 90% sản lượng dầu cá toàn cầu. Với nhu cầu ngày càng tăng này, cần phải có các nguồn dầu cá khác.
Các nhà khoa học nghiên cứu của Rothamsted đã phát triển cây hạt cải dầu được biến đổi gen để sản xuất dầu cá omega-3 trong hạt của chúng. Dầu cá omega-3 được biết đến là thành phần có lợi cho dinh dưỡng của con người. Cải dầu biến đổi gen có tiềm năng cung cấp dầu cá lành mạnh cho chế độ ăn uống của con người.
Quản lý sức khỏe: Chẩn đoán bệnh truyền thống liên quan đến việc phân tích các tế bào và mô của sinh vật, mất nhiều thời gian để thực hiện. Các phương pháp hiện đại sử dụng phản ứng chuỗi polymerase, kỹ thuật được sử dụng trong sinh học phân tử để tập trung vào một đoạn DNA và sao chép nó hàng triệu lần trong một khoảng thời gian ngắn. PCR cho phép xác định chính xác các tác nhân gây bệnh ở sinh vật biển ngay cả khi không có triệu chứng trực quan của bệnh. Vì sinh vật biển có khả năng di chuyển xuyên biên giới, nên việc chẩn đoán bệnh chính xác là rất quan trọng vì chúng liên quan đến việc kiểm dịch và buôn bán.
Ngành công nghiệp tôm phải đối mặt với nguy cơ thua lỗ do một số tác nhân gây bệnh do virus như virus gây hội chứng đốm trắng (WSSV), virus gây đầu vàng, virus gây hội chứng Taura, virus gây bệnh gan tụy và virus gây bệnh cầu trùng. Các nhà khoa học thấy khó đưa ra phương pháp điều trị các bệnh do virus ở động vật giáp xác như tôm vì chúng không sở hữu hệ thống đáp ứng miễn dịch thích ứng thực sự và chúng phản ứng với bệnh bằng các cơ chế miễn dịch bẩm sinh không đặc hiệu. Việc xác định và mô tả đặc điểm của các gen liên quan đến phản ứng miễn dịch ở tôm là rất quan trọng để hiểu được sự tương tác giữa vật chủ và tác nhân gây bệnh. Các gen từ tôm sú khổng lồ (Penaeus monodon) và tôm sú Nhật Bản (P. japonicus) đã biểu hiện hoạt tính kháng virus sau khi được nhân bản và tăng cường ở tôm bị nhiễm WSSV.
Bên cạnh các tác nhân kháng virus, RNA can thiệp (RNAi) hoặc gen im lặng cũng đã được sử dụng để kiểm soát nhiễm virus. Một RNA can thiệp ngắn (vp28-siRNA) nhắm vào một gen protein vỏ chính của WSSV đã được sử dụng để gây ra gen im lặng ở P. japonicus. Điều này dẫn đến giảm đáng kể sản xuất DNA của virus và tỷ lệ tử vong thấp hơn. Hơn nữa, sau ba lần tiêm vp28-siRNA, virus đã bị xóa sổ khỏi tôm bị nhiễm WSSV
Peptide kháng khuẩn (AMP) là một giải pháp thay thế tiềm năng cho kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản vì cho đến nay chưa có báo cáo nào về tình trạng kháng AMP. AMP được coi là thành phần chính trong hệ thống phòng thủ miễn dịch bẩm sinh của sinh vật biển vì chúng thể hiện đặc tính kháng khuẩn và cung cấp tác dụng tức thời và nhanh chóng chống lại các vi sinh vật xâm nhập. Ví dụ về AMP được tìm thấy trong sinh vật biển bao gồm penaeidin từ tôm, mytimicin từ trai, callinectin từ cua xanh và clavaspirin từ mực ống.
Vaccine là một phương tiện tiết kiệm chi phí khác để bảo vệ cá khỏi các bệnh do virus và ngăn ngừa sự lây lan của bệnh. Vaccine cho cá được coi là lý do chính dẫn đến thành công của ngành công nghiệp cá hồi. Một ví dụ về vaccine cho cá hồi được gọi là Apex-IHN, loại vaccine này có khả năng kháng virus hoại tử tạo máu (IHNV).
Thúc đẩy tăng trưởng: Phần lớn các nghiên cứu chuyển gen trên các loài cá quan trọng về mặt thương mại đều tập trung vào việc cải thiện tốc độ tăng trưởng bằng cách chuyển hormone tăng trưởng. Điều này có lợi về mặt kinh tế vì cá chuyển gen có các đặc điểm tăng trưởng thay đổi đạt đến độ trưởng thành trong khoảng thời gian ngắn hơn so với cá không chuyển gen và thể hiện hiệu quả chuyển đổi thức ăn tốt hơn. ³ Những lợi thế này tiếp tục chuyển thành chu kỳ sản xuất ngắn hơn, chi phí sản xuất thấp hơn và giảm ô nhiễm trong cơ sở nuôi trồng thủy sản.
Vào năm 2015, cá hồi AquAdvantage có gen hormone tăng trưởng từ cá hồi Chinook đã trở thành loài cá biến đổi gen đầu tiên được chấp thuận sử dụng thương mại sau khi được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ chứng minh là an toàn để ăn như cá hồi Đại Tây Dương không biến đổi gen. ⁸ Nó cũng đã được chấp thuận sử dụng thương mại tại Canada vào năm 2016.
Y học
Hơn 2.000 năm trước, chiết xuất từ sinh vật biển đã được sử dụng làm thuốc. Vào thế kỷ 19 và 20, dầu gan cá tuyết là một trong những chất bổ sung dinh dưỡng nổi tiếng. Chỉ đến giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học mới bắt đầu tìm kiếm thuốc một cách có hệ thống trên đại dương.
Khi các nhà khoa học nghiên cứu cơ chế phòng thủ của các sinh vật biển, họ đã phát hiện ra vũ khí hóa học phòng thủ khổng lồ của các sinh vật này. Vào những năm 1950, Ross Nigrelli từ Hiệp hội Động vật học New York đã chiết xuất một loại độc tố gọi là holothurin từ hải sâm Bahamas (Actynopyga agassizi), cho thấy hoạt động chống khối u ở chuột. Holothurin không được thương mại hóa nhưng số lượng các hợp chất hoạt tính sinh học tiềm năng từ đại dương tăng đột biến và ngày càng có nhiều hợp chất được phát hiện hơn mỗi năm. Các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ sinh học để tạo ra các bản sao của các hợp chất biển trong phòng thí nghiệm để chúng không phải liên tục được thu hoạch từ sinh vật biển. Một số đã được thương mại hóa, trong khi những loại khác đang trải qua các thử nghiệm lâm sàng hoặc tiền lâm sàng. Bảng tóm tắt một số loại thuốc được thương mại hóa có nguồn gốc từ các sinh vật biển.

Thuốc có nguồn gốc từ sinh vật biển

Các loại thuốc khác có nguồn gốc từ biển. Bao gồm các hợp chất gây độc tế bào bryostatin 1 và các dẫn xuất dolastatin là soblidotin và synthadotin. Bên cạnh các loại thuốc này, nhiều sản phẩm khác đang trong giai đoạn tiền lâm sàng. Số lượng hợp chất biển được báo cáo đang tăng lên hàng năm, với hơn 1.000 hợp chất mới với nhiều hiệu lực và chức năng sinh học khác nhau được thêm vào mỗi năm.
Môi trường
Sự phân hủy các chất ô nhiễm môi trường là mối quan tâm quan trọng trên toàn cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vi sinh vật biển thể hiện các con đường phân hủy sinh học độc đáo để phân hủy một số chất ô nhiễm hữu cơ. Các tế bào bất động của vi khuẩn Pseudomonas chlororaphis sản xuất ra pyoverdin, giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy các hợp chất organotin độc hại trong nước biển. Các nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng một số sinh vật biển sản xuất ra các hóa chất thân thiện với môi trường như biopolymer và biosurfactants có thể được sử dụng trong quản lý và xử lý chất thải môi trường.
Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học
Từ tảo siêu nhỏ là một trong những cách khả thi về mặt kinh tế để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Tảo siêu nhỏ được coi là nguồn nhiên liệu sinh học tốt hơn so với thực vật bậc cao vì hàm lượng dầu cao; dễ nhân giống (có thể nuôi trồng trong nước biển hoặc nước lợ, do đó không cạnh tranh với tài nguyên của nền nông nghiệp thông thường); sinh khối còn lại sau khi khai thác dầu có thể được sử dụng làm thức ăn hoặc phân bón hoặc lên men để sản xuất etanol hoặc mêtan; và thành phần sinh hóa có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các điều kiện tăng trưởng. Tảo siêu nhỏ có năng suất sinh khối và hàm lượng lipid cao hơn bao gồm Chlorella, Tetraselmis, Chaetoceros, Isochrysis, Skeletonema và Nannochloropsis.
Công nghệ sinh học biển là một trong những phương pháp công nghệ sinh học trẻ nhất. Hệ sinh thái biển có đa dạng sinh học phong phú và bản thân sinh vật chứa các hợp chất sinh hóa quan trọng với nhiều ứng dụng trong y học, môi trường và các ngành công nghiệp khác. Do đó, nghiên cứu về lĩnh vực này là rất quan trọng để khai thác tiềm năng to lớn của môi trường biển nhằm cải thiện cuộc sống của con người theo mọi cách có thể.

NTH