“Có hơn 12 nghìn nghiên cứu về Công nghệ sinh học đươc xuất bản trong hơn 2 năm, trong đó có sự tham gia của  8.500 đơn vị nghiên cứu từ hơn 140 quốc gia và vùng lãnh thổ. Hoa Kỳ, Trung Quốc, Đức, Brazil và Ấn Độ là 5 quốc gia có nghiên cứu nhiều nhất về CNSH. Vi khuẩn E. coli và nấm men S. cerevisiae biến đổi di truyền thường xuyên được chọn nghiên cứu. Hạt nano và công nghệ nano là chủ đề nghiên cứu CNSH theo xu hướng hiện đại. Kỹ thuật di truyền và trao đổi chất sẽ tiếp tục phát triển mạnh để nâng cao hơn nữa hiệu quả sinh tổng hợp các hóa chất hữu ích và xử lý sinh học các chất gây ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu CNSH sẽ tiếp tục có tác động mạnh mẽ đến các ngành môi trường, y học, nông nghiệp, thực phẩm và đa dạng các lĩnh vực công nghiệp khác. Với công nghệ tiên tiến hơn về kỹ thuật protein, nhiên liệu sinh học và dẫn thuốc, dự kiến công nghệ sinh học sẽ đặc biệt tạo ra môi trường xanh hơn và mang lại lợi ích cho sức khỏe con người”- Andy Yeung và cộng sự.

       I. GIỚI THIỆU

       Như đã được trình bày ở kỳ trước, công nghệ sinh học (CNSH) có đóng góp rất lớn vào nhiều lĩnh vực; nhu cầu của thị trường đối với các sản phẩm có nguồn gốc từ sinh học và được sản xuất từ các quy trình công nghệ sinh học ngày càng gia tăng. Nhiều quốc gia, tổ chức (viện, trường, công ty) và nhà nghiên cứu đã và đang tập trung nghiên cứu, phát triển các quy trình, đối tượng và ứng dụng công nghệ sinh học vào đời sống và sản xuất (công nghiệp, nông nghiệp, môi trường, y học,….). Tiếp theo, bài viết kỳ này sẽ giới thiệu chi tiết các vấn đề thế giới đang quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sinh học thông qua việc phiên dịch và biên tập lại từ nghiên cứu của Andy Yeung và cộng sự được xuất bản trên Tạp chí Current Research in Biotechnology (tạp chí hàng đầu thế giới về CNSH). Nghiên cứu cung cấp khá toàn diện về các chủ đề và từ khóa (topic and keyword) thuộc lĩnh vực thế giới đang quan tâm. Nghiên cứu này có sự tham gia của 37 nghiên cứu viên (tác giả và đồng tác giả) từ 39 tổ chức (viện, trường) của 19 quốc gia trên thế giới. Qua đó thấy được quy mô và giá trị của bài nghiên cứu nêu trên.

       Như đã biết, CNSH được đề xuất phân loại thành 4 màu, bao gồm trắng, đỏ, màu xanh lá cây và màu xanh lam tương trưng cho 4 lĩnh vực ứng dụng chủ yếu là công nghiệp, dược phẩm/y tế, thực phẩm và nông nghiệp, môi trường và biển (Barcelos và cộng sự, 2018). Hai ví dụ nổi tiếng về ứng dụng CNSH trong sản xuất công nghiệp là sản xuất axit xitric đa chức năng thông qua công nghệ lên men có sự tham gia của nấm Aspergillus niger và Yarrowia lipolytica (Karaffa và Kubicek, 2003), cũng như việc sử dụng nấm Y. lipolytica trong công nghệ sản xuất dầu sinh học (Beopoulos và cộng sự, 2009). Trong lĩnh vực nông nghiệp, cây trồng biến đổi gen đã được trồng trên 180 triệu ha đất ở 28 quốc gia, tương đương 10% tổng diện tích đất canh tác trên toàn thế giới (Taheri và cộng sự, 2017). Qua so sánh, cây trồng biến đổi gen cho năng suất cao hơn và chi phí sản xuất thấp hơn cây trồng truyền thống. CNSH trong y học và dược phẩm có tác động mạnh mẽ đến sức khỏe con người và các phương pháp điều trị bệnh tật. CNSH cho phép khám phá và phát hiện các cơ chế gây bệnh ở mức độ phân tử qua đó xác định và lựa chọn được các dấu hiệu sinh học phân tử (molecular biomarker), đồng thời hỗ trợ xác định và phát triển dược phẩm trị liệu (Gartland và cộng sự, 2013).

       II. PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU

       Tháng 5/2019, Andy Yeung và cộng sự đã lọc cơ sở dữ liệu điện tử từ các tạp chí khoa học quốc tế để xác định các ấn phẩm về công nghệ sinh học mới nhất tại thời điểm đó. Dữ liệu thư mục của các ấn phẩm CNSH được đưa vào được trích xuất, bao gồm năm xuất bản, quyền tác giả, cơ quan, quốc gia/khu vực của cơ quan, tên tạp chí, chuyên mục tạp chí WoS (Web of Science), loại xuất bản, ngôn ngữ, số lượng xuất bản và số lượng trích dẫn. Nhóm tác giả đã sử dụng các công cụ chuyên dùng (VOSviewer) để phân tích dữ liệu về thuật ngữ chuyên ngành thuộc lĩnh vực CNSH của các nghiên cứu được xuất bản, qua đó xác định được các vấn đề đang được thế giới quan tâm nghiên cứu hiện nay. 

       III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

       Kết quả tìm kiếm cho thấy giai đoạn 2017-2019 (tính đến tháng 5) có 12.351 bài báo về CNSH được các tạp chí quốc tế xuất bản; trong đó có 9.043 bài nghiên cứu - article (73,2%), 2.308 bài tổng quan - review (18,7%), 569 các bài viết kỷ yếu proceeding (4,6%), 327 bài tài liệu biên tập - editorial material (2,6%), 126 bài tóm tắt hội nghị - meeting abstract (1,0%) (Hình 1). Hơn 8.500 tổ chức đã đóng góp vào số lượng các ấn phẩm xuất bản trên. Top 5 tổ chức có nghiên cứu được xuất bản nhiều nhất thuộc về các quốc gia Pháp, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Tây Ban Nha và Brazil (Bảng 1). Tiếp theo là Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Hiệp hội các Trung tâm Nghiên cứu Đức, Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia Pháp (INRA), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Đại học Kỹ thuật Đan Mạch. Hơn 140 quốc gia/vùng lãnh thổ đã đóng góp cho nghiên cứu công nghệ sinh học, trong đó 5 quốc gia có năng suất cao nhất là Hoa Kỳ, Trung Quốc, Đức, Brazil và Ấn Độ. Số liệu trên nêu bật mối quan tâm nghiên cứu của toàn thế giới về công nghệ sinh học. Số liệu trên cũng cũng phù hợp với báo cáo khác rằng các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil là những quốc gia có ảnh hưởng đến các ngành khoa học mới (trong đó có CSNH) với số lượng bài báo khoa học được xuất bản nhiều gần 20 lần so với đầu những năm 1980 (Adams, 2013). Cụ thể hơn các nghiên cứu được trích dẫn nhiều nhất của Brazil là về xử lý sinh học (ví dụ như nghiên cứu về sử dụng hệ vi sinh vật đường ruột như một công cụ tiềm năng để phân hủy thuốc trừ sâu (de Almeida và cộng sự, 2017), sử dụng vi sinh vật để hấp thụ sinh học crom gây ô nhiễm môi trường (Vendruscolo và cộng sự, 2017) và sử dụng vi tảo và vi khuẩn lam để cố định sinh học carbon dioxide thải ra từ các nhà máy điện than (Duarte và cộng sự, 2017). Trong số các ấn phẩm của Ấn Độ được trích dẫn nhiều nhất, laccase oxidase là một trong những chủ đề phổ biến. Cụ thể như nghiên cứu tối ưu hóa việc sản xuất laccase từ một loại nấm trong quá trình lên men ở trạng thái rắn (Chenthamarakshan và cộng sự, 2017) và chứng minh sự phân hủy sinh học thuốc nhuộm dệt độc hại của laccase được sản xuất bởi vi khuẩn (Kuppusamy và cộng sự, 2017). 

Bảng 1. Top 5 tổ chức, quốc gia/ vùng lãnh thổ và tạp chí có năng suất cao nhất

 Hình 1. Số lượng bài báo quốc tế về công nghệ sinh học 
được xuất bản từ đầu năm 2017 đến tháng 5/2019

       Tạp chí Khoa học sinh học và Kỹ thuật sinh học (Journal of Bioscience and Bioengineering) nổi bật là tạp chí có năng suất cao nhất, đã đóng góp tới 4,0% tổng số ấn phẩm, cao hơn gấp đôi so với đóng góp của tạp chí thứ 2 - Công nghệ sinh học và Kỹ thuật sinh học (Biotechnology and Bioengineering), đóng góp 1,8%. Tuy nhiên một số nghiên cứu trước đây cho thấy không có sự khác biệt lớn giữa các tạp chí chuyên về xuất bản các nghiên cứu liên quan đến CNSH. Từ nghiên cứu này cho thấy Tạp chí Khoa học sinh học và Kỹ thuật sinh học (tạp chí có hệ số tác động (impact factor) năm 2018 là 2,03) là tạp chí được ưa thích của các tác giả có nhiên cứu liên quan đến CNSH. Các yếu tố như phạm vi rộng, sự đa dạng của các loại bài báo, tỷ lệ được chấp nhận xuất bản, danh tiếng chắc chắn là các yếu tố quan trọng để các nhà nghiên cứu lựa chọn tạp chí để xuất bản các nghiên cứu của họ. 

Bảng 2. Số lượng ấn phẩm và trung bình trích dẫn trên mỗi ấn phẩm
 của 20 chuyên mục hiệu quả nhất
 

       Xét về chuyên mục (journal category), Vi sinh vật ứng dụng trong công nghệ sinh học là chuyên mục chiếm ưu thế với 3.599 bài (trung bình mỗi bài có 3 trích dẫn), nhiều gấp ba lần so với chuyên mục thứ 2 (Hóa sinh học phân tử). Qua xem xét 20 hạng mục hàng đầu, có thể thấy tính đa dạng trong các nghiên cứu CNSH, có sự trùng lặp với các lĩnh vực sinh học, hóa học, kỹ thuật, khoa học thực vật, vi sinh, dược lý, di truyền, khoa học nano và quản lý (Bảng 2). Phạm vi rộng này là minh họa cho tính chất liên ngành cao của nghiên cứu liên quan đến CNSH. Ngành khoa học này có đóng góp vào khoa học đời sống, cụ thể với các công trình khoa học từ nhiều lĩnh vực kỹ thuật và quản lý. Ví dụ, các nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí quản lý thường là các nghiên cứu có liên quan đến việc phân tích các mô hình, quy trình CNSH có đóng góp vào việc hình thành kiến thức và ứng dụng vào quá trình đổi mới phương thức sản xuất sản phẩm (Capaldo và cộng sự, 2017; Moeen và Agarwal, 2017). Tương tự như vậy, các công ty khởi nghiệp CNSH đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây, được thúc đẩy bởi sự hợp tác giữa ngành công nghiệp và giới học thuật thông qua các hoạt động tư vấn, hợp đồng nghiên cứu và quan hệ đối tác công tư (Pronk et al., 2015). Chắc chắn rằng số lượng các nghiên cứu liên quan đến CNSH được xuất bản trong tương lai sẽ gia tăng mạnh. Tính chất liên ngành cao của nghiên cứu liên quan đến CNSH cũng được phản ánh qua 04 bài nghiên cứu được chấp thuận xuất bản đồng thời trên Tạp chí Nghiên cứu mới nhất về Công nghệ sinh học (Current Research in Biotechnology) đến từ các lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn khác nhau. Cụ thể là ý kiến chuyên gia về sự an toàn của cây trồng được chỉnh sửa bộ gen (Lassoued và cộng sự, 2019), nghiên cứu mô tả sự phát triển của cảm biến urê điện hóa sử dụng tế bào vi khuẩn (Cabrera và cộng sự, 2019), nghiên cứu về tiềm năng của việc bổ sung hạt tiêu đen vào chế độ ăn uống để cải thiện nồng độ lipid trong máu, và nghiên cứu sự phát triển của màng sợi nano polyacrylonitrile chứa oxit đồng trong ứng dụng sản xuất mặt nạ thở kháng khuẩn (Kim và cộng sự, 2019).

       Bản đồ thuật ngữ (Hình 2) cho thấy, có 3.345 nghiên cứu thực hiện việc sản xuất các phân tử sinh học có giá trị, với 3,0 lượt trích dẫn/mỗi nghiên cứu (CPP). Thuật ngữ tổng hợp các phân tử sinh học có giá trị với 917 nghiên cứu (CPP = 3,6). Sản xuất và tổng hợp sản phẩm thông qua vi khuẩn có 1.328 nghiên cứu (CPP = 3.0) (Hình 2). CNSH được áp dụng để nghiên cứu, chỉnh sửa gen có 1.831 nghiên cứu (CPP = 2,6), nghiên cứu enzyme có 1.875 nghiên cứu (CPP = 3,2); các nghiên cứu nhằm mục tiêu tối ưu chu trình tổng hợp, sản xuất các phân tử sinh học. Một số thuật ngữ được trích dẫn nhiều bao gồm cảm biến sinh học (với 170 nghiên cứu; 5,9 lượt trích dẫn/ bài), vi khuẩn (n = 252; CPP = 5,1); nhiên liệu sinh học (n = 236; CPP = 4,8), polymer (n = 335; CPP = 4,8), kỹ thuật trao đổi chất (n = 238; CPP = 4,8) và công nghệ nano (n = 194; CPP = 4,4). 25 thuật ngữ được đề cập thường xuyên ở vị trí tên và tóm tắt của nghiên cứu bao gồm sản xuất, ứng dụng, phân tích… chi tiết được liệt kê trong Bảng 3.

Hình 2. Bản đồ thuật ngữ của các ấn phẩm công nghệ sinh học.

       Chú thích: Có 411 thuật ngữ xuất hiện với hơn 124 lần trong số 12.351 ấn phẩm; Kích thước bong bóng phản ánh tần suất của thuật ngữ được đề cập trong các ấn phẩm; Màu bong bóng phản ánh tần suất trung bình một ấn phẩm đề cập đến thuật ngữ đó được trích dẫn; Khoảng cách giữa hai bong bóng phản ánh tần suất hai thuật ngữ đã được đề cập trong cùng ấn phẩm.

Bảng 3. Top 25 thuật ngữ phổ biến nhất thường xuất hiện 
trong tiêu đề và tóm tắt của các xuất bản

        Đối với từ khóa (keyword), Kỹ thuật trao đổi chất (Metabolic engineering) là từ khóa phổ biến thứ hai xếp ngay sau từ khóa công nghệ sinh học; từ khóa sinh học tổng hợp (Synthetic biology) đứng ở vị trí thứ ba. Qua các từ khóa phổ biến, Vi khuẩn Escherichia coli và nấm men Saccharomyces cerevisiae là những sinh vật được sử dụng thường xuyên nhất trong các nghiên cứu về công nghệ sinh học, đặc biệt là nghiên cứu các quá trình sinh tổng hợp các phân tử sinh học có giá trị (Bảng 4 và 5). E. coli là một sinh vật mẫu rất phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng CNSH; E. coli có thể được sửa đổi bộ gen để tạo ra các hợp chất có giá trị (Erb và cộng sự, 2017), chẳng hạn như myo-inositol (Vitamin B8) (You và cộng sự, 2017) và monoterpen (dược liệu) (Korman và cộng sự, 2017) và nhiều hợp chất và enzyme giá trị khác. Tương tự, S. cerevisiae được biến đổi gen để sản xuất axit adipic - một monome hữu ích trong tổng hợp nylon (Kruyer và Peralta-Yahya, 2017); astaxanthin - một keto-carotenoid là chất tạo màu thực phẩm và chất chống oxy hóa mạnh (Zhou và cộng sự, 2019); và nhiên liệu sinh học (như ethanol) được sản xuất từ xylose trong phế phẩm nông nghiệp và cây trong cho sản xuất năng lượng (Kwak và Jin, 2017; Jansen và cộng sự, 2017). Hiện nay, phần lớn kết quả các nghiên cứu ứng dụng CNSH đã được các ngành sản xuất công nghiệp sử dụng để tăng quy mô sản xuất các sản phẩm tự nhiên và các sản phẩm này được sử dụng để sản xuất thuốc chữa bệnh (Atanasov và cộng sự, 2015) hoặc sử dụng cho các ứng dụng y sinh khác (Brahmi và cộng sự, 2018; Catana và cộng sự, 2018; Eid và cộng sự, 2017; Ververidis và cộng sự, 2007). 
Bảng 4. Top 25 từ khóa (keyword) được tác giả sử dụng trong các ấn phẩm.

 Bảng 5. Top 25 từ khóa được tạp chí bổ sung vào các ẩn phẩm (Keywords Plus)

 
       Xúc tác sinh học là một chủ đề phổ biến khác, liên quan đến việc tối ưu hóa các enzyme hiện có, bao gồm cả việc cố định chúng để cải thiện tính ổn định và tính đa dụng, để phù hợp với các hệ thống sản xuất dược phẩm và chế phẩm phục vụ đời sống và sản xuất (Sheldon và Woodley, 2017). Xúc tác sinh học cũng là chủ đề trọng tâm trong nghiên cứu xử lý sinh học về môi trường và y tế (Karigar và Rao, 2011; Mathieu và cộng sự, 2009). Hạt nano và công nghệ nano cũng là xu hướng nghiên cứu gần đây. Ví dụ, một số công trình công trình nghiên cứu gần đây có liên quan trong lĩnh vực này tập trung vào việc tổng hợp sợi nano có thể áp dụng trong kỹ thuật mô, hấp thu thuốc và băng vết thương (Haider và cộng sự, 2018). Một ứng dụng quan trọng khác của công nghệ nano là trị liệu sinh học và chuyển gen (gene delivery) qua tác nhân trung gian hạt nano (engineered nanoparticle-mediated) (Singh và cộng sự, 2017). Đồng thời, các hạt nano kim loại cũng được nghiên cứu làm chất phụ gia nhằm cải thiện hiệu suất cháy và độ ổn định của động cơ diesel (Saxena và cộng sự, 2017). Khi 25 từ khóa phổ biến nhất năm 2017, 2018 và 2019 được phân tích riêng, các từ như “quá trình”, “tinh chế”, “gen”, “nấm”, “laccase” và “màng sinh học - biofilm” đều phổ biến trong năm 2017, nhưng đã được thay thế bằng các từ “kỹ thuật protein”, “khả năng chịu nhiệt”, “nhiên liệu sinh học”, “công nghệ sinh học đổi mới sáng tạo” và “dẫn thuốc” vào năm 2019. Rõ ràng rằng, các nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ luôn thay đổi xu thế để thích ứng với sự phát triển của các ngành, lĩnh vực khác và phục vụ tốt hơn đời sống. Đến giai đoạn 2022-2023, có thể thấy nhiều nghiên cứu CNSH được xuất bản với tiêu đề có liên quan đến trí tuệ nhân tạo (AI), cụ thể như “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào thiết kế enzyme và con đường cho kỹ thuật trao đổi chất” hay bài nghiên cứu tổng quan về “Xu hướng trí tuệ nhân tạo cho công nghệ sinh học”.  

       IV. KẾT LUẬN

       Bức tranh tổng quan về quy mô, xu thế nghiên cứu và sự phát triển, ứng dụng của CNSH vào đời sống và sản xuất được hiện rõ thông qua nghiên cứu phân tích ấn phẩm xuất bản từ các nghiên cứu liên quan đến CNSH. có hơn 12 nghìn xuất bản chỉ trong hơn 2 năm, với sự đóng góp của hơn 8.500 đơn vị nghiên cứu, hơn 140 quốc gia và vùng lãnh thổ có nghiên cứu CNSH. Top 5 quốc gia có nghiên cứu mạnh về CNSH là Hoa Kỳ, Trung Quốc, Đức, Brazil và Ấn Độ (đây là các quốc gia phát triển, có nền kinh tế lớn dựa trên khoa học và công nghệ, các nghiên cứu về công nghệ sinh học có đóng góp thiết thực vào đời sống và sản xuất của các quốc gia này). Tạp chí Khoa học sinh học và Kỹ thuật sinh học là tạp chí có hiệu suất xuất bản cao nhất đối ấn với nghiên cứu CNSH (xét về số lượng ấn phẩm) và vi khuẩn E. coli và nấm men S. cerevisiae biến đổi di truyền thường xuyên được chọn nghiên cứu công nghệ sinh học. Hạt nano/công nghệ nano là chủ đề nghiên cứu CNSH theo xu hướng hiện đại. Kỹ thuật di truyền và trao đổi chất sẽ tiếp tục phát triển mạnh để nâng cao hơn nữa hiệu quả sinh tổng hợp các hóa chất hữu ích và xử lý sinh học của các chất gây ô nhiễm môi trường. Nhìn chung, nghiên cứu CNSH sẽ tiếp tục có tác động mạnh mẽ đến các ngành môi trường, y học, nông nghiệp, thực phẩm và các đa dạng lĩnh vực công nghiệp khác. Với công nghệ tiên tiến hơn về kỹ thuật protein, nhiên liệu sinh học và dẫn thuốc, dự kiến CNSH sẽ đặc biệt tạo ra môi trường xanh hơn và mang lại lợi ích cho sức khỏe con người. 
Với những nội dung như trình bày ở trên, Bài viết đã khái quát được các chủ đề và nội dung về CNSH thế giới đang quan tâm và nghiên cứu; mặc dù không được thể hiện chi tiết, Việt Nam (tác giả và tổ chức) cũng có đóng góp một phần vào các nghiên cứu này. Do đó, kỳ sau (Kỳ 3) sẽ giới thiệu về các nghiên cứu CNSH ở Việt Nam được xuất bản trên các tạp chí quốc tế./.

       Tài liệu tham khảo
       - Andreas Holzinger et al., 2023. AI for life: Trends in artificial intelligence for biotechnology. New Biotechnology 74:16-24
 Andy Yeung et al., 2019. Current research in biotechnology: Exploring the biotech forefront. Current Research in Biotechnology 1:34-40.
       - Woo Jang et al., 2021. Applications of artificial intelligence to enzyme and pathway design for metabolic engineering. Current Opinion in Biotechnology 73:1-7

TS. Hồng Phúc Ngươn
Trung tâm iPEC Cà Mau