Công nghệ sinh học nano là sự giao thoa của công nghệ nano và sinh học, và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực nghiên cứu công nghệ cao. Nói một cách khác, Công nghệ sinh học nano là công nghệ sinh học ở mức độ siêu nhỏ (mức độ nm) liên quan đến phương pháp sử dụng vật liệu và thiết bị công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học. Ứng dụng của công nghệ sinh học nano gia tăng rất nhanh, đặc biệt trong lĩnh vực y học. Một số thiết bị công nghệ sinh học nano đã được chế tạo tại Việt Nam.
Hiểu biết về hóa sinh học là cơ sở khoa học của CNSH nano. Vì CNSH nano nghiên cứu các quá trình biến đổi sinh học ở mức độ tế bào và mô liên quan đến: Biến đổi hình dạng, độ bám dính…; Sự kích thích cơ-điện, độ chứa điện, chứa năng lượng, pin sinh học…; Sự hấp phụ, phát hùynh quang, hiện tượng quang-hóa; Độ giữ nhiệt, điều biến nhiệt…; Cách thức tế bào tương tác với vật liệu nano, các phân tử khuyết tật, hệ cơ-sinh học; Bệnh di truyền, ung thư, khuyết tật mô hoặc tạng, cũng như xây dựng hệ máy tính DNA.
Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của Công nghệ Sinh học Nano
Trước hết là các ứng dụng trong lĩnh vực y học. Đó là các hạt nanospheres được bọc bởi polymer phát quang có khả năng nhận biết đặc hiệu các phân tử sinh học khác nhau, được sử dụng trong phân tích trao đổi chất Thí dụ sử dụng trong cơ thể người để phát hiện các chất trao đổi liên quan đến ung thư hay bệnh nan y nào khác. Sử dụng vi khuẩn nano (nanobacteria) chữa bệnh với kích thước khỏang 25-200 nm do NanoBiotech Pharma chế tạo. Công nghệ DNA nano sử dụng tính chất gỡ sợi và lai bắt cặp tương hỗ của DNA trong thiết kế DNA array sử dụng trong nghiên cứu biểu hiện gen và protein (genomics và proteomics). CNSH nano nghiên cứu chế tạo công cụ phân tử sinh học, CNSH nano trong sinh tin học giúp xác định trình tự gen, tìm kiếm và sàng lọc nhanh dược phẩm. Sử dụng màng nano sinh học tự phân hủy trong bảo quản thực phẩm, rong kỹ thuật siêu lọc…
CNSH nano chủ yếu sử dụng các công cụ nghiên cứu như kính hiển vi điện tử quét, đâm xuyên, kính hiển vi nguyên tử, thiết bị nhiễu xạ tia X, kỹ thuật DNA tái tổ hợp, kỹ thuật siêu máy tính.Tổng doanh thu của thị trường sản phẩm CNSH nano vào năm 2010 khỏang 19,3 tỷ USD, gia tăng hàng năm khỏang 9% và dự kiến sẽ đạt khỏang 29,7 tỷ USD vào năm 2015.
Fullerene (Bucky balls) hay C-Sixty có đường kính lỗ khỏang 1 nm, cấu tạo từ 60 nguyên tử C, thường để gắn kháng thể. Dendrimer, một dạng polymer nhánh sử dụng làm phương tiện vận chuyển vật liệu di truyền, thuốc chữa bệnh vào tế bào hoặc khối u đích, không gây phản ứng miễn dịch nhờ cấu trúc nhỏ và có nhánh. Nanoshell (sò nano) có nhân là hạt silic được bọc màng vàng gắn thuốc, có khả năng hấp thu ánh sáng hồng ngọai. Khi hạt tiếp cận tế bào hoặc khối u đích, người ta dùng hồng ngọai kích thích giải phóng thuốc.
Có 3 lọai vector sử dụng trong dẫn chuyển thuốc hướng đích. Đó là liposome (phospholipid), nanocapsule (ở dạng dịch dầu bao bởi polymer) và nanosphere (polymer có thể phân hủy).
Chip sinh học (DNA chip, protein chip, tế bào chip, lab chip, chip cấy ghép…) là nhóm sản phẩm CNSH nano họat động trên nguyên tắc lý chuyển đổi phản ứng hóa-sinh thành tín hiệu đo được (thường là tín hiện điện tử). Chip sinh học cấu tạo gồm 2 phần: Phần thụ thể sinh học (bioreceptor) và phần chuyển đổi (transducer). Trong đó phản ứng giữa mẫu dò và đích trên bề mặt chip (Thí dụ lai bắt cặp DNA-DNA, DNA-RNA, kháng nguyên-kháng thể, thụ thể-hormone) sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu đo được.
Điển hình là DNA chip (DNA array, chip gen) được dùng để phát hiện và đánh giá họat động của gen. Nó được xem là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu tìm kiếm dược phẩm, phát hiện nhanh thay đổi ở mức độ phân tử nhờ máy tính và các phần mềm chuyên dụng. Thí dụ, để phát hiện vi sinh vật gây bệnh than, người ta đưa protein có trong mẫu máu bệnh nhân lên bề mặt protein chip chứa các bản sao kháng thể nhận biết đặc hiệu kháng nguyên của vi khuẩn gây bệnh than. Tiếp theo bổ sung kháng thể đánh dấu hùynh quang gắn lên kháng nguyên gắn với kháng thể trên mặt protein chip sẽ nhận được kết quả.
Đầu tư cho nghiên cứu và triển khai công nghệ sinh học nano
Ở Mỹ từ 1999, hơn 50% đầu tư cho công nghệ nano được sử dụng cho công nghệ sinh học nano. Trong đó đầu tư lớn nhất cho lĩnh vực tìm kiếm dược phẩm (54%) và chẩn đóan bệnh (37%). Tiếp theo là đầu tư sản xuất thiết bị và vật liệu công nghệ sinh học nano và phần mềm điều khiển.
Hiện vấn đề xã hội của CNSH nano liên quan đến phạm trù đạo đức, ảnh hưởng tiềm năng của CNSH nano đối với con người và xã hội, ảnh hưởng của vật liệu nano lên sức khỏe con người… cũng đã bắt đầu được chú ý.
Nguồn lực cho nghiên cứu và triển khai công nghệ nano
Lấy thí dụ chỉ riêng ở nước Mỹ, hiện có khỏang 40.000 chuyên gia làm việc liên quan đến công nghệ nano. Để đáp ứng nhân lực cho nghành công nghệ trị giá khỏang 1 nghìn tỷ USD vào năm 2015 nước Mỹ cần ít nhất 800.000 chuyên gia công nghệ nano. Vì vậy việc xây dựng các cơ sở đào tạo về công nghệ nano nói chung và công nghệ sinh học nano nói riêng là việc cần làm ngay. Ở Việt Nam từ 1998 đã bắt đầu đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nano, tuy còn ở mức độ khá khiêm tốn.
Xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường sử dụng enzyme cố định trên sợi nano. Đã chế tạo thiết bị xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường dựa vào họat động của enzyme glucose oxidase cố định trên mặt sợi nano Pt cho phép xác định được nồng độ glucose trong máu biến thiên trong khỏang từ 125 μM tới 16,5 mM với sai số ± 3% [1].
Nhóm Đinh Duy Hải (Phòng thí nghiệm công nghệ nano) nghiên cứu chế tạo màng liên kết 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) trên microarray sử dụng cho cảm biến sinh học [2].
Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch ĐHQG TPHCM hợp tác với Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu công nghệ cao TP HCM được sự đầu tư của Sở KHCN TP HCM đã chế tạo thành công chip sinh học gọi là vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quatzt Crystal Microbalance) có khả năng đo phân bố khối lượng rất nhỏ (ng) dựa vào thay đổi tần số của bộ dao động cộng hưởng thạch anh. Biochip này cho phép phát hiện nhanh phẩy khuẩn tả. Nano Biopharmaceutical, một trong những công ty hàng đầu nghiên cứu và phát triển sản phẩm sinh-dược từ DNA tái tổ hợp đến công nghệ protein ở khu vực Châu Á-Thái Bình Dương cũng đặt trụ sở tại Khu công nghệ cao TP HCM trong khu vực diện tích 15.000 m2 đạt tiêu chuẩn WHO GMP (5/2011).
Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Công Hào và cs (Viện Công nghệ hóa tại TP HCM, Viện KH và Công nghệ Việt Nam) đã tạo b-cyclodextrin-alginate làm vật liệu vận chuyển thuốc chữa bệnh [3].
Nguyễn Anh Dũng và cs (Trung tâm CNSH, Đại học Tây nguyên) đang thực hiện nghiên cứu chế tạo hạt nano-chitosan làm chất mang kích thích đáp ứng miễn dịch cho vaccine cúm A H5N1. Nhóm tác giả sử dụng 3 phương pháp tạo hạt nano-chitosan là: tạo gel ionic trong TPP (tripolyphsphate), tạo huyền phù trong NaOH-methanol và khâu mạch tạo liên kết trong glutaraldehyde. Sau đó sử dụng phương pháp cố định bằng cách hấp phụ và nhốt kháng nguyên trên bề mặt hạt nano-chitosan [4].
Bùi Huy Du và Nguyễn Quốc Hiến và nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ gamma-Co-60 có hiệu lực diệt nấm bệnh đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) và bệnh lem lét hạt (Pseudomonas glumae Kurita et Tabei [5]).
Nhóm nghiên cứu Phương Đình Tâm (Đại học bách khoa Hà Nội) đã cố định thứ tự DNA trên cảm biến xác định virus herpes [6].
Nguyễn Thị Phương Phong (Đại học Lạc Hồng) Nghiên cứu chế tạo dung dịch Cu nano bằng phương pháp khử đối với oxalate Cu, CuCl2, CuSO4 bằng các chất khử ethylene glycole, diethylene glycole, glycerin kết hợp hỗ trợ của vi sóng và sử dụng dung dịch Cu nano làm nguyên liệu chế tạo thuốc bảo vệ thực vật kháng và diệt bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor, bệnh phấn trắng Oidium heveae trên cao su [7].
TÓM TẮT
Công nghệ sinh học nano là sự giao thoa của công nghệ nano và sinh học, và là sự kết hợp của nhiều lĩnh vực nghiên cứu công nghệ cao. Nói một cách khác, công nghệ sinh học nano là công nghệ sinh học ở mức độ siêu nhỏ (mức độ nm) liên quan đến phương pháp sử dụng vật liệu và thiết bị công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học. Ứng dụng của công nghệ sinh học nano gia tăng rất nhanh, đặc biệt trong lĩnh vực y học. Một số thiết bị công nghệ sinh học nano đã được chế tạo tại Việt Nam.KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO
Công nghệ sinh học nano (CNSH nano) là phạm trù khoa học mới xuất hiện gần đây dựa trên cơ sở kết hợp của công nghệ nano và sinh học. Một mặt CNSH nano nghiên cứu sử dụng “bộ máy sinh học” để hòan thiện hoặc sáng tạo công nghệ nano mới. Mặt khác nó nghiên cứu sử dụng công cụ công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học [8][9]. Nói một cách văn vẻ hơn, CNSH nano là một sự thu nhỏ quá trình và thiết bị CNSH về mức độ nano. Thí dụ công nghệ DNA nano hay bộ máy họat động của tế bào có thể coi là CNSH nano, vì cả hai đều dựa vào họat động của các phân tử sinh học ở mức độ nano. Mặt khác, hạt nano sử dụng làm phương tiện vận chuyển thuốc chữa bệnh hướng đích hoặc làm cảm biến sinh học cũng là thí dụ CNSH nano, vì trong trường hợp này, công cụ của công nghệ nano được sử dụng cho mục đích sinh học [10][11].Hiểu biết về hóa sinh học là cơ sở khoa học của CNSH nano. Vì CNSH nano nghiên cứu các quá trình biến đổi sinh học ở mức độ tế bào và mô liên quan đến: Biến đổi hình dạng, độ bám dính…; Sự kích thích cơ-điện, độ chứa điện, chứa năng lượng, pin sinh học…; Sự hấp phụ, phát hùynh quang, hiện tượng quang-hóa; Độ giữ nhiệt, điều biến nhiệt…; Cách thức tế bào tương tác với vật liệu nano, các phân tử khuyết tật, hệ cơ-sinh học; Bệnh di truyền, ung thư, khuyết tật mô hoặc tạng, cũng như xây dựng hệ máy tính DNA.
Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của Công nghệ Sinh học Nano
Trước hết là các ứng dụng trong lĩnh vực y học. Đó là các hạt nanospheres được bọc bởi polymer phát quang có khả năng nhận biết đặc hiệu các phân tử sinh học khác nhau, được sử dụng trong phân tích trao đổi chất Thí dụ sử dụng trong cơ thể người để phát hiện các chất trao đổi liên quan đến ung thư hay bệnh nan y nào khác. Sử dụng vi khuẩn nano (nanobacteria) chữa bệnh với kích thước khỏang 25-200 nm do NanoBiotech Pharma chế tạo. Công nghệ DNA nano sử dụng tính chất gỡ sợi và lai bắt cặp tương hỗ của DNA trong thiết kế DNA array sử dụng trong nghiên cứu biểu hiện gen và protein (genomics và proteomics). CNSH nano nghiên cứu chế tạo công cụ phân tử sinh học, CNSH nano trong sinh tin học giúp xác định trình tự gen, tìm kiếm và sàng lọc nhanh dược phẩm. Sử dụng màng nano sinh học tự phân hủy trong bảo quản thực phẩm, rong kỹ thuật siêu lọc…
CNSH nano chủ yếu sử dụng các công cụ nghiên cứu như kính hiển vi điện tử quét, đâm xuyên, kính hiển vi nguyên tử, thiết bị nhiễu xạ tia X, kỹ thuật DNA tái tổ hợp, kỹ thuật siêu máy tính.Tổng doanh thu của thị trường sản phẩm CNSH nano vào năm 2010 khỏang 19,3 tỷ USD, gia tăng hàng năm khỏang 9% và dự kiến sẽ đạt khỏang 29,7 tỷ USD vào năm 2015.
Fullerene (Bucky balls) hay C-Sixty có đường kính lỗ khỏang 1 nm, cấu tạo từ 60 nguyên tử C, thường để gắn kháng thể. Dendrimer, một dạng polymer nhánh sử dụng làm phương tiện vận chuyển vật liệu di truyền, thuốc chữa bệnh vào tế bào hoặc khối u đích, không gây phản ứng miễn dịch nhờ cấu trúc nhỏ và có nhánh. Nanoshell (sò nano) có nhân là hạt silic được bọc màng vàng gắn thuốc, có khả năng hấp thu ánh sáng hồng ngọai. Khi hạt tiếp cận tế bào hoặc khối u đích, người ta dùng hồng ngọai kích thích giải phóng thuốc.
Có 3 lọai vector sử dụng trong dẫn chuyển thuốc hướng đích. Đó là liposome (phospholipid), nanocapsule (ở dạng dịch dầu bao bởi polymer) và nanosphere (polymer có thể phân hủy).
Chip sinh học (DNA chip, protein chip, tế bào chip, lab chip, chip cấy ghép…) là nhóm sản phẩm CNSH nano họat động trên nguyên tắc lý chuyển đổi phản ứng hóa-sinh thành tín hiệu đo được (thường là tín hiện điện tử). Chip sinh học cấu tạo gồm 2 phần: Phần thụ thể sinh học (bioreceptor) và phần chuyển đổi (transducer). Trong đó phản ứng giữa mẫu dò và đích trên bề mặt chip (Thí dụ lai bắt cặp DNA-DNA, DNA-RNA, kháng nguyên-kháng thể, thụ thể-hormone) sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu đo được.
Điển hình là DNA chip (DNA array, chip gen) được dùng để phát hiện và đánh giá họat động của gen. Nó được xem là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu tìm kiếm dược phẩm, phát hiện nhanh thay đổi ở mức độ phân tử nhờ máy tính và các phần mềm chuyên dụng. Thí dụ, để phát hiện vi sinh vật gây bệnh than, người ta đưa protein có trong mẫu máu bệnh nhân lên bề mặt protein chip chứa các bản sao kháng thể nhận biết đặc hiệu kháng nguyên của vi khuẩn gây bệnh than. Tiếp theo bổ sung kháng thể đánh dấu hùynh quang gắn lên kháng nguyên gắn với kháng thể trên mặt protein chip sẽ nhận được kết quả.
Đầu tư cho nghiên cứu và triển khai công nghệ sinh học nano
Ở Mỹ từ 1999, hơn 50% đầu tư cho công nghệ nano được sử dụng cho công nghệ sinh học nano. Trong đó đầu tư lớn nhất cho lĩnh vực tìm kiếm dược phẩm (54%) và chẩn đóan bệnh (37%). Tiếp theo là đầu tư sản xuất thiết bị và vật liệu công nghệ sinh học nano và phần mềm điều khiển.
Hiện vấn đề xã hội của CNSH nano liên quan đến phạm trù đạo đức, ảnh hưởng tiềm năng của CNSH nano đối với con người và xã hội, ảnh hưởng của vật liệu nano lên sức khỏe con người… cũng đã bắt đầu được chú ý.
Nguồn lực cho nghiên cứu và triển khai công nghệ nano
Lấy thí dụ chỉ riêng ở nước Mỹ, hiện có khỏang 40.000 chuyên gia làm việc liên quan đến công nghệ nano. Để đáp ứng nhân lực cho nghành công nghệ trị giá khỏang 1 nghìn tỷ USD vào năm 2015 nước Mỹ cần ít nhất 800.000 chuyên gia công nghệ nano. Vì vậy việc xây dựng các cơ sở đào tạo về công nghệ nano nói chung và công nghệ sinh học nano nói riêng là việc cần làm ngay. Ở Việt Nam từ 1998 đã bắt đầu đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu công nghệ nano, tuy còn ở mức độ khá khiêm tốn.
KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO Ở VIỆT NAM
Hiện các nghiên cứu và ứng dụng triển khai công nghệ nano nói chung và CNSH nano nói riêng đang được thực hiện ở một số đơn vị nghiên cứu và triển khai, chủ yếu tập trung tại TP HCM và Hà Nội. Điển hình là Phòng thí nghiệm công nghệ nano ĐH quốc gia TP HCM, Trung tâm nghiên cứu triển khai kỹ thuật cao, Khu công nghệ cao TP HCM, Viện Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ĐH KHTN Hà Nội và TP HCM, ĐH bách khoa Hà Nội và TP HCM… Bước đầu đã nghiên cứu chế tạo được một số sản phẩm công nghệ sinh học nano khá độc đáo.Xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường sử dụng enzyme cố định trên sợi nano. Đã chế tạo thiết bị xác định trực tiếp glucose trong máu bệnh nhân đái tháo đường dựa vào họat động của enzyme glucose oxidase cố định trên mặt sợi nano Pt cho phép xác định được nồng độ glucose trong máu biến thiên trong khỏang từ 125 μM tới 16,5 mM với sai số ± 3% [1].
Nhóm Đinh Duy Hải (Phòng thí nghiệm công nghệ nano) nghiên cứu chế tạo màng liên kết 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) trên microarray sử dụng cho cảm biến sinh học [2].
Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch ĐHQG TPHCM hợp tác với Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu công nghệ cao TP HCM được sự đầu tư của Sở KHCN TP HCM đã chế tạo thành công chip sinh học gọi là vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quatzt Crystal Microbalance) có khả năng đo phân bố khối lượng rất nhỏ (ng) dựa vào thay đổi tần số của bộ dao động cộng hưởng thạch anh. Biochip này cho phép phát hiện nhanh phẩy khuẩn tả. Nano Biopharmaceutical, một trong những công ty hàng đầu nghiên cứu và phát triển sản phẩm sinh-dược từ DNA tái tổ hợp đến công nghệ protein ở khu vực Châu Á-Thái Bình Dương cũng đặt trụ sở tại Khu công nghệ cao TP HCM trong khu vực diện tích 15.000 m2 đạt tiêu chuẩn WHO GMP (5/2011).
Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Công Hào và cs (Viện Công nghệ hóa tại TP HCM, Viện KH và Công nghệ Việt Nam) đã tạo b-cyclodextrin-alginate làm vật liệu vận chuyển thuốc chữa bệnh [3].
Nguyễn Anh Dũng và cs (Trung tâm CNSH, Đại học Tây nguyên) đang thực hiện nghiên cứu chế tạo hạt nano-chitosan làm chất mang kích thích đáp ứng miễn dịch cho vaccine cúm A H5N1. Nhóm tác giả sử dụng 3 phương pháp tạo hạt nano-chitosan là: tạo gel ionic trong TPP (tripolyphsphate), tạo huyền phù trong NaOH-methanol và khâu mạch tạo liên kết trong glutaraldehyde. Sau đó sử dụng phương pháp cố định bằng cách hấp phụ và nhốt kháng nguyên trên bề mặt hạt nano-chitosan [4].
Bùi Huy Du và Nguyễn Quốc Hiến và nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ gamma-Co-60 có hiệu lực diệt nấm bệnh đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) và bệnh lem lét hạt (Pseudomonas glumae Kurita et Tabei [5]).
Nhóm nghiên cứu Phương Đình Tâm (Đại học bách khoa Hà Nội) đã cố định thứ tự DNA trên cảm biến xác định virus herpes [6].
Nguyễn Thị Phương Phong (Đại học Lạc Hồng) Nghiên cứu chế tạo dung dịch Cu nano bằng phương pháp khử đối với oxalate Cu, CuCl2, CuSO4 bằng các chất khử ethylene glycole, diethylene glycole, glycerin kết hợp hỗ trợ của vi sóng và sử dụng dung dịch Cu nano làm nguyên liệu chế tạo thuốc bảo vệ thực vật kháng và diệt bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor, bệnh phấn trắng Oidium heveae trên cao su [7].
