Không chỉ là cây trồng đường

Khi nghĩ đến mía, ngay lập tức chúng ta liên tưởng đến đường ăn, chất làm ngọt phổ biến nhất về mặt hóa học còn được gọi là sucrose. Trên thực tế, loại cỏ thuộc chi Saccharum này chiếm tới 80% lượng đường sucrose được sản xuất trên toàn thế giới, 20% còn lại đến từ củ cải đường. Mỗi năm có khoảng hai tỷ tấn thân cây mía được nghiền trong các nhà máy đường để lấy nước đường. Nhưng chắc chắn có nhiều thứ về loại cây này hơn là nước ngọt bên trong.

Với công nghệ truyền thống, cây mía có thể cho ra nhiều loại sản phẩm từ chất xơ đến hóa chất. Với sự kỳ diệu của công nghệ sinh học hiện đại, loại cây trồng này giờ đây có thể được trồng và sử dụng theo những cách đa dạng hơn. Kỹ thuật di truyền thực vật, quá trình chèn các gen mới và sửa đổi các gen hiện có, hứa hẹn sẽ biến mía thành một nhà sản xuất hiệu quả hơn không chỉ sucrose mà còn cả nhiên liệu sinh học mới và các hợp chất dùng trong y tế và công nghiệp.

Tăng năng suất đường sucrose

Công tác di truyền đang được thực hiện để tăng hàm lượng đường sucrose trong mía. Nhiệm vụ này đòi hỏi sự hiểu biết về nhiều quá trình tương tác liên quan đến việc tích lũy đường sucrose trong thân cây dự trữ. Các nhà khoa học đã xác định được các enzyme chủ chốt khởi động các quá trình này, có thể được đẩy nhanh hoặc làm chậm lại bằng kỹ thuật di truyền nhằm hướng tới việc tích tụ sucrose trong thân cây hiệu quả hơn.

Hình: giống mía biến đổi gen làm tăng năng suất dường Sucrose (Ảnh minh hoạ)

Ở cây mía, việc chỉnh sửa gen đang được thực hiện từng bước một để tăng năng suất đường sucrose. Ví dụ: bước đầu tiên, các nhà khoa học Nam Phi đã loại bỏ một loại enzyme cụ thể về mặt di truyền. Điều này làm tăng lượng đường sucrose trong thân non của cây mía được biến đổi gen. Các thử nghiệm sâu hơn trong lĩnh vực này đang được tiến hành. Điều này và những phát triển gần đây khác cho thấy rõ ràng tiềm năng cải thiện đáng kể năng suất đường sucrose của mía thông qua việc điều chỉnh chính xác các quy trình cơ bản.

Sản xuất nhiên liệu sinh học xenlulo

Đường sucrose được sử dụng rộng rãi để sản xuất ethanol, nhiên liệu sinh học thông qua quá trình lên men. Ethanol cung cấp giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, có thể làm giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và hạn chế phát thải khí nhà kính. Các nhà nhân giống mía đã tập trung vào sản lượng đường sucrose để thúc đẩy sản xuất ethanol. Tuy nhiên, việc sử dụng đường sucrose ngày càng tăng để sản xuất ethanol thay vì thực phẩm đã làm nảy sinh những lo ngại về đạo đức và kinh tế. Những lo ngại này đã nhấn mạnh sự cần thiết phải sản xuất ethanol mà không ảnh hưởng đến đường sucrose.

Công nghệ sinh học tìm cách khai thác cellulose trong lá mía và bã mía (dư lượng còn sót lại từ thân cây đã được nghiền nát) để sản xuất ethanol. Cấu trúc hóa học phức tạp của cellulose có thể bị phân hủy bởi enzyme thành các loại đường đơn giản có thể lên men thành ethanol. Tuy nhiên, nó được bảo vệ nghiêm ngặt bởi một vật liệu cứng gọi là lignin cần được loại bỏ bằng quy trình xử lý trước khắc nghiệt và rất tốn kém.

Những nỗ lực về kỹ thuật di truyền hiện nay ở Brazil nhằm mục đích thay đổi cấu trúc hóa học của lignin để có thể dễ dàng tách nó ra khỏi bã mía, cho phép chuyển đổi cellulose thành ethanol hiệu quả hơn. Ở Úc, các nhà nghiên cứu đã đưa gen vi sinh vật vào cây mía, tạo ra cây chuyển gen có thể tạo ra các enzyme phân hủy cellulose được thiết kế chính xác để hoạt động trong lá của cây trưởng thành. Cả hai sáng kiến đều có thể thúc đẩy công nghệ ethanol xenlulo.

Nhà máy sinh học cho các sản phẩm thích hợp

Mía là loại cây trồng hiệu quả nhất trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời và nước thành sinh khối. Vì lý do này, các nhà khoa học nhận thấy mía là loại cây lý tưởng để đồng sản xuất một số chất cho các ứng dụng y tế và công nghiệp. Cơ chế di truyền trong tế bào mía có thể được điều chỉnh để hướng dẫn chúng sản xuất ra những chất này, biến toàn bộ cây mía thành một nhà máy sinh học. Bằng chứng là, cây mía biến đổi gen đã được chứng minh là có khả năng tạo ra các hóa chất có giá trị cao như protein trị liệu và tiền chất tự nhiên của polyme sinh học. Cách tiếp cận này có thể tỏ ra hiệu quả hơn các phương pháp sản xuất hiện tại.

Một thành tựu đáng chú ý trong lĩnh vực này là việc sản xuất chất làm ngọt thay thế gọi là isomaltulose trong mía chuyển gen. Điều này đạt được bằng cách chèn một gen vi khuẩn để tạo ra một loại enzyme biến đổi sucrose thành isomaltulose. Nếu được sử dụng làm chất tạo ngọt, isomaltulose có thể mang lại những lợi ích nhất định cho sức khỏe vì nó được tiêu hóa chậm hơn sucrose, tốt cho bệnh nhân tiểu đường và không hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn gây sâu răng.

Nâng cao năng suất cây trồng

Công nghệ chuyển gen có thể đưa năng suất mía lên mức chưa từng có vì lợi ích của nông dân và hoàn thành các mục tiêu nói trên. Các gen lấy từ các sinh vật khác có thể được đưa vào cây mía để bảo vệ cây khỏi các điều kiện môi trường khắc nghiệt và sâu bệnh. Cây mía biến đổi gen đầu tiên được đưa ra thị trường ở Indonesia là giống chịu hạn. Giống này chứa một gen vi khuẩn chịu trách nhiệm sản xuất betaine, một hợp chất giúp ổn định tế bào thực vật khi thiếu nước trên đồng ruộng.

Các phương pháp chuyển gen đã được phát triển để kiểm soát côn trùng gây hại, vi khuẩn gây bệnh và cỏ dại độc hại làm hạn chế năng suất mía. Ví dụ: việc đưa một gen từ vi khuẩn đất vào bảo vệ cây mía khỏi sâu đục thân. Sự lây nhiễm của một loại virus gây hại trên cây mía có thể được ngăn chặn bằng cách chèn một gen có nguồn gốc từ chính virus đó. Một gen vi khuẩn chịu trách nhiệm giải độc một loại thuốc diệt cỏ nhất định đã mang lại một đặc điểm hấp dẫn để kiểm soát cỏ dại.

Những thách thức chính

Tiềm năng của nhà máy sinh học mía đường đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học và kinh doanh, nhưng việc đưa nó vào sử dụng thương mại sẽ là một thách thức lớn về mặt pháp lý, đặc biệt nếu nó được dùng để canh tác trên đồng ruộng. Nguy cơ di chuyển các gen "không mong muốn" từ cây trồng được thiết kế để sản xuất sinh học sang cây trồng dành riêng cho sản xuất lương thực thường được coi là một hạn chế trong các phương pháp tiếp cận nhà máy sinh học. Do đó, khả năng tồn tại về mặt thương mại của nhà máy sinh học mía đường sẽ phụ thuộc vào hiệu quả ngăn chặn rủi ro so với các hệ thống nhà máy sinh học thực vật phi thực phẩm như thuốc lá. Những người đề xuất sẽ phải xác định hiệu quả và lợi nhuận của nhà máy sinh học mía đường trên cơ sở từng trường hợp cụ thể cả từ góc độ kinh tế xã hội và an toàn sinh học.

Cộng đồng nghiên cứu mía nhìn chung lạc quan về tác động của việc trồng mía chuyển gen, cho rằng lợi ích tiềm năng vượt xa rủi ro. Điều này phải được truyền đạt một cách hiệu quả để giải quyết nhận thức tiêu cực ngày càng tăng của người tiêu dùng và thương nhân đối với cây trồng chuyển gen và các sản phẩm có nguồn gốc từ chúng.

Thuỳ An