Bài giảng Công nghệ sinh học thực phẩm - Chương 5 Công nghệ sinh học thực phẩm trong tương lai

CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM TRONG TƢƠNG LAI MỤC LỤC  1. Thực phẩm chức năng  2. Thực phẩm biến đổi gen  3. Vai trò của công nghệ sinh học trong sự phát triển ngành công nghệ thực phẩm 1. Thực phẩm chức năng Thực phẩm chức năng là thực phẩm dùng để hỗ trợ hoạt động của các bộ phận trong cơ thể, có tác dụng dinh dƣỡng, tạo cho cơ thể tình trạng thoải mái và giảm bớt nguy cơ gây bệnh.  Thực phẩm chức năng, tuỳ theo công dụng, hàm lƣợng vi chất và hƣớng dẫn sử dụng, còn có các tên gọi khác là thực phẩm bổ sung vi chất dinh dƣỡng; thực phẩm bổ sung; thực phẩm bảo vệ sức khoẻ; sản phẩm dinh dƣỡng y học. Thực phẩm chức năng là sản phẩm giao thoa giữa thực phẩm (nguồn gốc thiên nhiên) và dƣợc phẩm (thuốc- nguồn gốc hoá chất). Nhờ có chứa các hợp chất hoạt động sinh học mà ngoài giá trị dinh dƣỡng cơ bản, các thực phẩm chức năng còn có tác dụng giúp điều trị và phòng bệnh tốt. Thuật ngữ “Thực phẩm chức năng” đầu tiên đƣợc giới thiệu ở Nhật vào khoảng giữa những năm 1980.  Thực phẩm chức năng bắt nguồn từ thực vật, có thể kể các sản phẩm chế biến từ đậu, cà chua, tỏi, các loại trái cây, tỏi, trà, rƣợu vang. Có thể đƣa ra một ví dụ nhƣ đu đủ cũng là một thực phẩm chức năng.  Đu đủ là thực phẩm chứa nhiều carotenoid nhất, chiếm đến 7,2mg trong một quả trong khi mơ chỉ chứa 2,6mg. Carotenoid chính là nhóm chất chống oxy hóa rất mạnh, rất hữu ích trong việc phòng chống các bệnh tim mạch và ung thƣ. Trong số 19 chất carotenoid thì chủ yếu là các nhóm cryptoxanthin, beta-caroten, cryptoflavin. Ngoài ra đu đủ cũng rất giàu vitamin A, B, C. Trong 10g quả chứa 0,2 g protein, 14,5 g hydrat carbon, 1g lipid và 0,11 g khoáng chất. Trong y học cổ truyền Nam Mỹ, đu đủ đƣợc đánh giá có hiệu lực trị bệnh tiểu đƣờng, hen suyễn và chống ký sinh trùng đƣờng ruột và điều trị hiệu quả bệnh ho lao nếu dùng đều đặn trong thời gian dài. Đu đủ còn đƣợc đánh giá cao trên lĩnh vực thực phẩm chức năng nhờ các enzym nhƣ papain, có tác dụng giống nhƣ các enzym do dạ dày tiết ra nên rất cần thiết cho việc tiêu hóa thực phẩm.  Tác dụng của papain trong đu đủ: Enzym papain từ đu đủ giống nhƣ bromelin từ dứa (thơm) là nguồn enzym thực vật có tác dụng giống pepsin của dạ dày hoặc trypsin của dịch tụy.  Enzym này tỏ ra hết sức hiệu quả trong việc phân hủy các hỗn hợp protein, nhất là trong các bệnh xơ hóa túi mật, tiêu hóa khó khăn và nóng rát dạ dày, thiểu năng tuyến tụy làm giảm hàm lƣợng enzym pancreatin tiết ra.  Dùng đu đủ làm thực phẩm chức năng: - Góp phần hỗ trợ sự tiêu hóa sau những bữa ăn gây nặng bụng hoặc dùng làm nƣớc ép uống khi có rối loạn tiêu hóa nhƣ tiêu chảy, viêm ruột kể cả trẻ em trong thời kỳ mọc răng. - Tại Nhật có một sản phẩm rất đƣợc ƣa chuộng tên là “Immun’Age” từ đu đủ lên men chống lão hoá. - Tại các quốc gia nhiệt đới, ngƣời ta dùng nhựa từ đu đủ xanh hoặc hạt làm thuốc chống ký sinh trùng đƣờng ruột nhƣ tẩy giun kim, giun đũa, sán heo... dƣới dạng thuốc sắc. Nƣớc sắc này còn có tác dụng kích thích chức năng gan, mật hoạt động.  Thực phẩm chức năng có nguồn gốc từ động vật: Các loại cá, thịt, sản phẩm từ sữa.  Thực phẩm chức năng bao gồm nhiều nhóm nhƣ nhóm thực phẩm có chứa chất chống oxy hoá (quả gấc, cam, chanh, bƣỡi, giá); nhóm thực phẩm có chứa polyphenol (trà); nhóm thực phẩm có chứa melanoidine và caramel (gạo rang); nhóm probiotics (sữa chua, dƣa chua)  Trên thế giới, thực phẩm chức năngđã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nƣớc nhƣ Nhật Bản, Mỹ, Đức trong đó Nhật Bản là nƣớc đi đầu. 2. Thực phẩm biến đổi gen 2.1. Thực phẩm biến đổi gen, tính cấp thiết và các ảnh hƣởng liên quan.  Thực phẩm có gen đã bị biến đổi là thực phẩm có nguồn gốc từ sinh vật có gen đã bị biến đổi do sử dụng công nghệ gen. Trƣớc sự thúc ép gia tăng về dân số của hành tinh chúng ta, một mặt chúng ta phải bảo tồn tính đa dạng sinh học, mặt khác lại phải sản xuất ra nhiều của cải vật chất để nuôi sống con ngƣời và bảo tồn nòi giống bằng chính sự an toàn thực phẩm do con ngƣời làm ra. Thực hiện ƣớc muốn này, chúng ta sử dụng thành tựu của khoa học- công nghệ gen: Sinh vật chuyển gen và cây trồng chuyển gen đã tác động trực tiếp đến thực phẩm chuyển gen. Do đó, những đột biến gen trong lĩnh vực cây trồng, chăn nuôi và chế biến thực phẩm sẽ là một trong những giải pháp tích cực và hiệu quả nhất để đảm bảo an ninh lƣơng thực và sản phẩm thực phẩm đa dạng phục vụ cuộc sống của con ngƣời.  Công nghệ chuyển gen là một quá trình chuyển đổi cho phép chúng ta xoá bỏ đƣợc ranh giới giữa các giống, loài vƣợt qua đƣợc “hàng rào tự nhiên” để cải tiến, đột biến các chủng giống vi sinh vật, cây trồng, vật nuôi. Do tính thống nhất của mã di truyền mà một khi gen mã hoá theo tình trạng mong muốn đƣợc phân lập từ bất kỳ một sinh vật nào (dù từ vi sinh vật), ngƣời ta đều có thể chuyển gen đó vào một sinh vật khác hoặc giữa các loài không có quan hệ, mà sinh vật đó chúng ta đang cần cải tiến hoặc mong muốn đột biến. Đây là thành tựu to lớn của khoa học vì quyền năng này không thể thực hiện đƣợc khi chúng ta sử dụng các phƣơng pháp lai tạo giống cổ điển, tự nhiên. Nhƣ vậy, thành tựu của công nghệ chuyển gen giúp cho con ngƣời sử dụng một cách triệt để hơn tính đa dạng sinh học vào các mục đích cần thiết của con ngƣời.  Hiện nay, không phải tất cả các loại thực phẩm có trên thị trường đều là thực phẩm biến đổi gen, nhưng sản phẩm chuyển gen có được phải là thành tựu của công nghệ sinh vật chuyển gen và cây trồng chuyển gen. Thực phẩm chuyển gen có một số ưu điểm cho cả người sản xuất và người tiêu dùng, nghĩa là con người đã dùng kỹ thuật gen để tạo ra sản phẩm thực phẩm có giá trị thấp hơn thành sản phẩm có giá trị cao hơn, có lợi ích lớn hơn hoặc khía cạnh này, hoặc khía cạnh kia, hoặc cho cả hai khi xét về giá trị dinh dưỡng và thời gian bảo quản thực phẩm.  Tuy vậy, còn nhiều ý kiến và các câu hỏi vẫn luôn thường trực đối với người tiêu dùng khi nhắc tới thực phẩm chuyển gen, vì mọi người đều cho rằng sử dụng thực phẩm truyền thống là cách an toàn nhất, nhưng chúng ta lại quên rằng, một số đặc tính hiện có của thực phẩm tự nhiên có thể bị thay đổi hoặc theo cách tích cực hoặc tiêu cực. 2.2. An toàn sinh học đối với thực phẩm biến đổi gen. An toaøn sinh hoïc ñöôïc hieåu laø söï baûo veä con ngöôøi, xaõ hoäi vaø moâi tröôøng khoûi caùc taùc ñoäng coù haïi hoaëc nguy hieåm ñoái vôùi söùc khoûe con ngöôøi cuûa theá heä hoâm nay vaø mai sau do caùc ñoäc toá hay caùc saûn phaåm cuûa coâng ngheä gen. Noù ñoøi hoûi phaûi ñaùnh giaù möùc ñoä an toaøn cuûa taát caû caùc bieän phaùp söû duïng nhö caùc taùc nhaân chaån ñoaùn vaø trò lieäu ; dò gheùp cô quan; caùc taùc nhaân baûo veä caây troàng vaät nuoâi, Ngay töø luùcï khôûi ñaàu vaøo naêm 1973, nhieàu nghi ngôø ñaõ ñöôïc ñöa ra veà tính an toaøn cuûa coâng ngheä DNA taùi toå hôïp. Nhöõng moái lo ngaïi naøy ñaõ thuùc ñaåy caùc nhaø khoa hoïc chaáp nhaän caùc nguyeân taéc chæ ñaïo quaûn lí chính thöùc ñöôïc ñöa ra, nhaèm ñaûm baûo caùc vi sinh vaät taùi toå hôïp khoâng coù khaû naêng phaùt trieån beân ngoaøi caùc phoøng thí nghieäm, vaø caùc nhaân vieân phoøng thí nghieäm phaûi ñöôïc baûo veä ñeå khoâng bò baát kì moät ruûi ro naøo. Noäi dung cuûa caùc ñieàu luaät naøy ñöôïc tieán haønh vaøo naêm 1974 vaø 1975 trong caùc phieân hoïp môû döôùi söï giaùm saùt cuûa baùo chí. Vì vaäy, coâng chuùng ñaõ bieát ñeán caùc khaû naêng coù theå xaûy ra mang tính tieâu cöïc cuõng nhö tích cöïc cuûa caùc vi sinh vaät ñaõ ñöôïc bieán ñoåi di truyeàn. Vaøo naêm 1998, moät chieán dòch aàm ó vaø ñaày tranh caõi ñaõ choáng laïi vieäc troàng caùc caây GMO vaø caùc saûn phaåm mua baùn töø nhöõng loaïi caây troàng naøy. Ba öùng duïng thöû nghieäm GMO ñöôïc thöøa nhaän vaøo naêm 1982. Hai thöû nghieäm veà thöïc vaät bieán ñoåi gen laø baép vaø caây thuoác laù. Ñeà xuaát thöù ba lieân quan ñeán vieäc kieåm tra doøng vi sinh vaät Pseudomonas syringae bieán ñoåi gen ñeå xaùc nhaän lieäu noù coù theå giôùi haïn khaû naêng laøm cheát coùng caây. Söï ñeä trình ñaëc bieät naøy trôû thaønh söï kieän böôùc ngoaët cho vieäc caûi tieán caùc thuû tuïc quaûn lí vieäc phoùng thích caùc GMO vaøo moâi tröôøng. Các nông dân, chính phủ, và người tiêu dùng châu Âu lo lắng về GMO ngay từ ban đầu. Phản ứng này một phần có lẽ là do tác động bi kịch của bệnh viêm não ở bò (chứng bò điên) hoành hành ở Anh suốt những năm của thập niên 1990. Một nghiên cứu đã quả quyết rằng hệ thống miễn dịch của chuột đã bị tổn thương sau khi cho chuột ăn khoai tây chuyển gen. Nghiên cứu khác đề nghị rằng hạt phấn từ cây bắp Bt đã huỷ hoại quần thể bướm “hoàng hậu” (Monarch butterflies). Việc rắc rối thứ ba liên quan đến một lỗ hổng trong hệ thống quản lí ở Mĩ nên đã cho phép một sản phẩm chuyển gen chủ ý chỉ dùng làm thức ăn cho động vật nhưng lại chuyển sang làm nguồn cung cấp thực phẩm cho người. Những sự kiện này đã giúp khởi động chiến dịch chống cây trồng GMO. * Quản lí thực phẩm và các thành phần trong thực phẩm chuyển gen Tại Mĩ, Cục Quản lí thực phẩm và dược phẩm (Food and Drug Administration - FDA) chịu trách nhiệm quản lí việc đưa các loại lương thực, thuốc, dược phẩm và các dụng cụ y khoa vào thị trường. Tính an toàn của các lương thực từ cây trồng cũng như thành phần thực phẩm bao gồm hương vị và chất phụ gia phải được đánh giá kĩ lưỡng trước khi cho phép tiêu thụ. Chymosin: FDA ñaõ chaáp thuaän enzyme chymosin ñöôïc saûn xuaát baèng coâng ngheä gen ñeå duøng laøm phoâmai maø khoâng caàn phaûi qua taát caû caùc xeùt nghieäm. FDA laäp luaän raèng, neáu chymosin taùi toå hôïp töông ñoàng vôùi chymosin ñöôïc saûn xuaát töï nhieân, ngöôøi ñeä ñôn phaûi chöùng toû raèng chuùng coù cuøng khoái löôïng phaân töû vôùi chymosin ñöôïc tinh cheá töø beâ, vaø caùc hoaït tính sinh hoïc cuûa 2 enzyme naøy laø gioáng nhau. – Söï coá vôùi Tryptophan : Suoát naêm 1989 vaø 1990 ôû Mó, coù moät soá löôïng lôùn baát bình thöôøng cuûa caùc ca beänh hoäi chöùng ñau cô (eosinophilia- myalgia syndrome - EMS) ñöôïc coâng boá. Caên beänh hieám gaëp naøy gaây ñau cô nghieâm troïng, yeáu cô vaø coù theå gaây cheát do khoâng theå hoâ haáp. Ñaëc tính thöôøng thaáy ôû EMS laø caùc beänh nhaân söû duïng lieàu löôïng lôùn amino acid tryptophan laøm nguoàn thöùc aên boå sung. Nhöõng cuoäc ñieàu tra saâu hôn cho thaáy taát caû caùc ñôït tryptophan "hö hoûng" bò nghi ngôø ñöôïc saûn xuaát töø doøng vi khuaån coâng ngheä gen, ñöôïc taïo ra ñeå saûn xuaát vöôït möùc tryptophan. Hậu quả là, L-tryptophan, thậm chí tinh khiết, cũng bị cấm dùng cho người dân Mĩ. Mặc dù công nghệ gen không có vấn đề, nhưng bài học từ điều này là không nên thừa nhận tính tương đương sinh học giữa một giống và bản sao bị biến đổi di truyền của nó. - Somatotropin boø : Cuoäc tranh luaän veà somatotropin ôû boø (BST, bST, bovine somatotrophin, hoaëc hormone taêng tröôûng ôû boø) laø ñieån hình cho caùc söï kieän coù theå phaùt sinh töø vieäc söû duïng saûn phaåm DNA taùi toå hôïp. FDA ñaõ pheâ chuaån cho baùn BST taùi toå hôïp treân thò tröôøng (rBST, hoaëc Posilac). Nhöng nhieàu nöôùc khaùc nhau khoâng ñoàng yù vôùi vaøi keát luaän cuûa FDA. Từ thập niên 1930, người ta thấy rằng việc tiêm BST vào bò sữa sẽ làm tăng sản lượng sữa một cách đáng kể. Do việc thu nhận số lượng lớn BST tự nhiên vừa khó và chi phí lại cao, nên nó không thường được dùng làm chất phụ gia trong công nghệ sữa. Tuy nhiên, với công nghệ rBST do tế bào E. coli tạo ra được thu nhận, tinh chế và kiểm tra. Dưới các điểu kiện thử nghiệm, lượng sữa trong các con bò sữa tăng 20  25% sau khi tiêm rBST. Tính an toàn của BST tự nhiên trong sữa được nghiên cứu kiõ lưỡng. Trong các con bò đã qua xử lí, lượng BST trong sữa không cao hơn so với các con đối chứng. Hơn nữa, BST không có hoạt tính trong cơ thể người, và tất cả các xét nghiệm kiểm tra độc tính cho thấy không có tác động gây hại trên những sinh vật thử nghiệm. Sử dụng tất cả các kết quả nghiên cứu có thể thu thập, FDA đã kết luận thịt và sữa từ những con bò đã được xử lí với rBST an toàn cho con người.  Tuy nhiên, vấn đề chính chống lại rBST là "các hormone công nghệ gen" trong "sữa chứa hormone" sẽ có hại và gây bệnh ung thư cho người. Những người phản đối rBST cho rằng việc sử dụng rBST sẽ làm gia tăng nguy cơ nhiễm vi khuẩn vào tuyến sữa (chứng viêm vú) ở các gia súc nuôi lấy sữa. Tranh cãi sâu hơn nữa là lượng kháng sinh phải được sử dụng nhiều hơn bình thường nhằm ổn định sức khoẻ của các gia súc được xử lí rBST, vì vậy, dẫn đến lượng kháng sinh gia tăng trong sữa bò, điều này có thể gây những phản ứng dị ứng ở nhiều người tiêu dùng. * 50 năm tới thế giới cần sản xuất ra nhiều thức ăn cho ngƣời, thức ăn cho động vật và sợi hơn so với trong thời gian của toàn bộ lịch sử loài ngƣời. Cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện mục đích này. Các cây trồng biến đổi gen chịu đƣợc thuốc diệt cỏ và sâu đang mang lại những lợi ích thông qua những thức ăn cho ngƣời, thức ăn cho động vật và sợi mà ngƣời dân có thể mua đƣợc. Những thứ này đòi hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, bảo vệ đất tốt hơn và cung cấp một môi trƣờng bền vững hơn. Trái với những ý kiến chỉ trích, các cây trồng công nghệ sinh học tỏ ra cũng an toàn nhƣ hoặc an toàn hơn những cây trồng sản xuất bằng các phƣơng pháp thông thƣờng. Trong tƣơng lai, những tiến bộ trong công nghệ sinh học nông nghiệp sẽ cho ra những cây trồng làm cải thiện khả năng chịu hạn hán, thời tiết nóng và lạnh; đòi hỏi ít phân bón và thuốc trừ sâu hơn; sản xuất các vắc-xin để ngăn ngừa những bệnh lây lan chủ yếu; và có những đặc điểm mong muốn khác. 3. Vai trò của công nghệ sinh học trong sự phát triển ngành công nghệ thực phẩm Các cây trồng và nông nghiệp đã đóng vai trò quan trọng trong phát triển và thúc đẩy sự văn minh. Các cây trồng cung cấp những thức ăn bền vững cho con ngƣời, cho động vật, sợi cho xây dựng và quần áo, thuốc men, dƣợc phẩm, nƣớc hoa, các hóa chất cho các quá trình sản xuất công nghiệp, năng lƣợng để nấu nƣớng và sƣởi ấm và gần đây nhất, sinh khối để đáp ứng nhu cầu ngày một tăng về nhiên liệu phục vụ vận tải. Các cây trồng còn đóng vai trò chủ yếu về mặt môi trƣờng bằng việc ngăn ngừa sói mòn đất, tăng cƣờng mức ôxi trong khí quyển, giảm sự phát tán CO2 từ việc đốt than đá, và làm giầu đất bằng nitơ, mà chúng quay vòng theo chu kỳ giữa đất và khí quyển. 3.1 Nông nghiệp trong thế kỷ 21 Nếu dân số tiếp tục tăng nhƣ dự đoán, thì trong 50 năm tới chúng ta cần phải sản xuất thêm thức ăn cho ngƣời, thức ăn cho động vật và sợi hơn so với thời gian của toàn bộ lịch sử loài ngƣời. Và chúng ta phải làm điều này trên cơ sở diện tích đất thích hợp cho nông nghiệp và sản xuất cây trồng giảm dần. Điều này đặt ra một số thách thức chủ yếu cho nông nghiệp ở thế kỷ XXI: - Sản lượng cây trồng cần phải tăng cao hơn mức đạt được ở thế kỷ XX để đáp ứng nhu cầu gia tăng và tiết kiệm không gian trống. Những đầu vào cần thiết cho nông nghiệp thâm canh, như nước và phân bón cần phải giảm. - Cây trồng cần được phát triển để có thể sinh sôi nẩy nở trong những điều kiện khắc nghiệt sao cho những đất ít mầu mỡ có thể được sử dụng để trồng những cây quan trọng, mùa vụ phải kéo dài và sản lượng không bị giảm bởi hạn hán, thời tiết nóng, lạnh và các tác động khác. - Những ảnh hƣởng đến môi trƣờng của nông nghiệp do việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón cần phải giảm bớt. Thí dụ các cây trồng cần đƣợc biến đổi để chịu đƣợc bệnh dịch, để có thể hấp thu có hiệu quả các chất dinh dƣỡng trong đất, và cạnh tranh với cỏ dại trong việc hút nƣớc và hấp thụ ánh sáng mặt trời. - Những cây lương thực cần được tối ưu hóa để phục vụ sức khỏe và dinh dưỡng của con người, cung cấp các vitamin thiết yếu, các axít amin và prôtêin nhằm giúp xóa bỏ tình trạng suy dinh dưõng và bệnh tật. - Những cây trồng mới cho năng lượng cần được phát triển để có năng suất cao và có thể dùng làm nguồn sinh khối có thể thay thế cho các nhiên liệu để giảm bớt sự phụ thuộc của chúng ta vào hệ thống năng lượng dựa vào dầu mỏ. Những thách thức này sẽ đòi hỏi phải áp dụng những kỹ thuật nhân giống và phân tử tinh vi nhất mà hiện nay đang có, cũng nhƣ việc phát triển những kỹ thuật mới. Tuy nhiên chƣa bao giờ có một thời kỳ nào sôi động hơn cho ngành sinh học cây trồng và nông nghiệp, và cuộc cách mạng công nghệ tạo ra bởi kỷ nguyên các bộ gen cho cơ hội duy nhất để thực hiện những mục tiêu này trong thời gian hai thập kỷ tới hoặc sớm hơn. 3.2 Sử dụng CNSH để phát triển các cây trồng mới Đa số các cây mà chúng ta đang trồng hiện nay không mọc “một cách tự nhiên”. Ngƣợc lại, hầu hết các cây trồng chủ yếu đều đã đƣợc tổ tiên của chúng ta biến đổi gen cách đây hàng nghìn năm từ các cây họ hàng hoang dã của chúng bằng việc chọn lọc và nhân giống để có đƣợc những đặc điểm làm tối ƣu hóa các cây trồng phục vụ cho con ngƣời. Những kỹ sƣ về gen đầu tiên này đã học cách nhận biết những đột biến ngẫu nhiên xuất hiện ở các quần thể thực vật hoang dã và sử dụng tính biến dị gen này để tạo ra những cây lƣơng thực mà chúng ta hiện nay chúng ta dang sử dụng. Thí dụ, ngô đã đựợc gây giống cách đây 10.000 năm từ loài cỏ teosinte bằng việc chọn ra một số ít gen có nhiệm vụ kiểm soát kích thƣớc lõi ngô, cấu trúc và số lƣợng hạt và cấu trúc của cây. Hầu hết những cây lƣơng thực mà ngày nay chúng ta sử dụng nhƣ lúa mì, đậu nành, gạo, khoai, cải bắp, bông cải xanh và cà chua, đều đƣợc chúng ta biến đổi gen theo cách thức tƣơng tự. Đó là bằng cách dùng các công nghệ nhân giống để tạo ra những tổ hợp gen mới trong phạm vi một loài rồi chọn những đặc điểm tốt hơn ở thế hệ sau. • Những đổi mới quan trọng nhất đang làm biến đổi nông nghiệp là các công nghệ biến đổi gen cho phép những gen mới có thể đƣợc phân lập, thao tác bằng tay và cấy trở lại vào các cây trồng; khả năng tái sinh hầu hết các loài cây từ việc nuôi cấy mô vào cây tốt giống; và sự phát triển các công nghệ về bộ gen cho năng suất cao. Những công nghệ này cho phép vẽ bản đồ và sắp xếp toàn bộ các bộ gen của cây và định dạng các gen có chức năng kiểm soát tất cả các quá trình của cây, gồm cả những gen có thể góp phần vào việc giải quyết các thách thức của nông nghiệp trong tƣơng lai, nhƣ các gen có khả năng chịu bệnh, hạn hán, kích thƣớc và số lƣợng hạt . • Ở mức độ gen, việc nhân giống cây trồng phụ thuộc vào việc đƣa ngẫu nhiên các đột biến, hoặc biến dị gen vào bộ gen của cây rồi sau đó từ quần thể rộng chọn ra bộ phụ nhỏ những thay đổi dẫn đến sự thay đổi tích cực. Trong đa số các trƣờng hợp, những thay đổi gen đƣợc tạo ra đều không đƣợc biết. Trái lại, việc biến đổi gen mang lại cho việc nhân giống một phƣơng án chính xác hơn, và vì sự chính xác của nó, nên nó có thể đƣợc dùng để phát triển những đặc điểm mới có giá trị trong một thời gian rất ngắn đƣợc đòi hỏi để tiếp tục nghiên cứu những kỹ thuật nhân giống tƣơng đối không chính xác. Những gen đã đƣợc mô tả đặc điểm có thể đƣa vào các cây trồng theo cách chính xác và đƣợc điều khiển nhằm tạo ra những cây trồng đƣợc cải thiện về gen có những đặc điểm mà các quy trình nhân giống cổ điển không thể nào thực hiện đƣợc. 3.3. SỰ PHÁT TRIỂN VÀ LỢI ÍCH CỦA CÂY TRỒNG THEO CÔNG NGHỆ SINH HỌC Các loại cây đầu tiên đƣợc trồng theo kĩ thuật di truyền phát triển vào đầu những năm 1980 có khả năng đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Ngày nay, đa số các loại cây trồng theo công nghệ sinh học đều có hai đặc tính này - đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Trong 20 năm qua, trên toàn thế giới ngƣời ta đã cố gắng phân lập các gen có khả năng đáp ứng một loạt các yêu cầu mà các nhà chăn nuôi, nông dân, ngƣời tiêu thụ, và các nhà công nghiệp đã nêu ra nhằm cải thiện nhiều loại cây trồng. Ngày nay, công nghệ sinh học cây trồng và kỹ thuật di truyền là hoạt động chính trong các khu vực nhà nƣớc và tƣ nhân và đang trở thành một bộ phận quan trọng của ngành trồng cây trên khắp thế giới. Thật vậy, chƣa bao giờ ngành nông nghiệp lại sôi nổi nhƣ vậy vì các công nghệ gen hiệu quả cao đã cho phép nhận biết các loại gen có tiềm năng mang lại những biến đổi to lớn cho ngành sản xuất cây trồng trong 50 năm tới. • Từ khi ra đời vào năm 1996, việc sử dụng các loại cây trồng cải thiện nhờ kỹ thuật di truyền đã gia tăng với tốc độ hơn 10%/năm và vào năm 2004, theo một báo cáo của cơ quan quốc tế về ứng dụng công nghệ sinh học nông nghiệp, lƣợng cây trồng đó đƣợc sử dụng ở mức gia tăng 20%. Các loài cây mang gen công nghệ sinh học mới là đậu nành, ngô, bông và canola, chiếm tƣơng ứng 56%, 14%, 28% và 19% diện tích trồng các loài cây này trên toàn cầu. • Tổng diện tích của chúng chiếm gần 30% diện tích dành cho các loài cây này trên toàn cầu. Tại Mỹ, đậu nành công nghệ sinh học (đề kháng với thuốc diệt cỏ), ngô (đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu) và bông (đề kháng với thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu) chiếm diện tích tƣơng ứng gần 85%, 75% và 45% diện tích toàn phần của các loài cây đó. • Mỹ là nƣớc đi đầu về diện tích cây trồng theo công nghệ sinh học với hơn 48 triệu ha, tiếp theo là Argentina (16 triệu ha), Canada (6 triệu ha), Brazil (4,8 triệu ha), và Trung Quốc (4 triệu ha). Giá trị cây trồng theo công nghệ sinh học là gần 5 tỉ USD, tƣơng ứng bằng 15% và 16% sản lƣợng cây trồng toàn cầu và thị trƣờng giống. Cây trồng công nghệ sinh học mang lại lợi ích với việc cung cấp nhiều thực phẩm, thức ăn gia súc và sợi hơn, đồng thời đòi hỏi ít thuốc trừ sâu hơn, duy trì chất lƣợng đất tốt hơn và có lợi hơn cho việc bảo vệ môi trƣờng bền vững. Hơn nữa, thu nhập hàng năm của nông dân nghèo tại các nƣớc đang phát triển đã gia tăng đáng kể nhờ sử dụng cây trồng công nghệ sinh học, theo thống kê gần đây của Tổ chức Nông Lƣơng Liên hợp quốc. Phần lớn giá trị gia tăng mang lại thu nhập cho những ngƣời nông dân này chứ không phải là cho ngƣời cung cấp công nghệ. 3.4 SỬ DỤNG ĐỘNG VẬT BIẾN ĐỔI GEN TRONG THỰC PHẨM • a. SẢN XUẤT THỊT • Nhiều nghiên cứu ban đầu của vật nuôi chuyển gen, nhằm làm thúc đẩy sự tăng trưởng. Các gen mã hoá cho hormone tăng trưởng của người, cừu, heo và bò được chèn vào cừu, heo, bò và thỏ. Các con vật này cho thấy tăng trưởng nhanh, tăng tỉ lệ nạc/mỡ, và tăng khả năng chuyển hóa thức ăn Tuy nhiên, chi phí tương đối cao khi tạo các động vật biến đổi gen. • Heo đầu tiên được biến đổi gen là Beltswille thể hiện hormone tăng trưởng và sau đó, chúng nảy sinh nhiều vấn đề bao gồm: loét dạ dày, hư hại thận và gan, thoái hoá kết hợp bệnh, đi khập khiễng, ngủ lịm, mất sự kết hợp, nhạy cảm với viêm phổi, thị giác hư hỏng, tình trạng tiểu đường, viêm da và mất khả năng sinh sản... • Một số nhóm nghiên cứu khác đã báo cáo rằng, heo chuyển gen hormone kích thích tăng trưởng đã tăng trưởng tốt, không bị những ảnh hưởng bất lợi nào cho tới khi mắc bệnh viêm phổi sau 18 tuần sinh ra. Cừu chuyển gen tăng trưởng của người và bò cũng phát sinh bệnh tiểu đường và một số bệnh khác dẫn đến chết sớm. • Gần đây, các nhà khoa học Nhật bản đã báo cáo heo biến đổi di truyền với gen từ cây rau bina (spinach), FAD2, gen sản suất enzyme liên quan đến chuyển hoá mỡ để tạo heo ít mỡ, rất tốt cho người sử dụng. • b. SẢN XUẤT SỮA • Rất nhiều các nghiên cứu tìm cách sản xuất protein trong sữa của động vật biến đổi gen, bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác tìm cách thay đổi thành phần của sữa. Đây là chiến lược chủ yếu của các công ty dược phẩm và thực phẩm: sản xuất protein qua con đường tiết sữa (thông qua bò, cừu, dê). • • Lợi thế của chiến lược sản xuất protein qua tuyến sữa: • - Số lượng các protein được sản xuất trong tuyến sữa của các động vật có vú khá phong phú, sản lượng sữa được tiết ra khá lớn. • - Tuyến sữa của động vật có vú là một cơ quan sản xuất sinh học, dễ thích nghi với việc sản xuất protein và bài tiết sữa. • - Sự biểu hiện gen ở tuyến sữa động vật có vú rất chính xác về thời gian. • Ba mục đích chính khi biến đổi di truyền bò để thu sữa: • - Sữa bò mang “tính người” (humanisation): chuyển thêm vào bò những gen mã hoá cho lactoferrin và lysozyme, nhằm làm tăng các đặc tính kháng khuẩn của sữa bò. Lactoferrin tăng cũng làm gia tăng khả năng hấp thu Fe2+ trong khẩu phần thức ăn của trẻ em. Tuy nhiên nồng độ lactoferrin và lysozyme cũng gia tăng chứng viêm vú, đồng thời sữa từ bò biến đổi gen hiện tại, khó được sự chấp nhận của xã hội. • - Tăng hàm lượng protein trong sữa đặc biệt là casein, một protein có vai trò quan trọng trong sản xuất sữa. • - Giảm hàm lượng lactose: làm dễ hấp thu sữa đối với gần 70% dân số (chủ yếu là Châu Á do không dung nạp được lactose), do đó có ảnh hưởng tốt đến thị trường. • Nếu chuyển gen tăng hormone sinh trưởng có nguồn gốc ngoại sinh, sẽ kích thích tăng 18% sản lượng sữa ở bò mà không hề gây các tác động xấu, như trường hợp phải tiêm các hormone ngoại sinh này vào tĩnh mạch. • • Tuy nhiên, bò biến đổi gen để sản xuất sữa gặp nhiều khó khăn: • (a) GMO quá đắt tiền để sử dụng như là hệ thống sản xuất nông nghiệp. • (b) Sữa cần được kiểm định, phê chuẩn trước khi được dùng làm thực phẩm. • (c) Người tiêu thụ khó chấp nhận sữa này – đặc biệt là cho trẻ em uống. • Trong nông nghiệp, bên cạnh những động vật hữu nhũ, các thủy sinh vật như cá và giáp xác cũng được biến đổi gen. Các gen được chuyển thông thường là kích thích sự tăng trưởng (mã hoá các hormone tăng trưởng), hoặc tăng khả năng chống chịu với các tác nhân bất lợi của môi trường. • Bên cạnh nhiều lợi ích, các sinh vật chuyển gen cũng làm nảy sinh nhiều tranh cãi về tính an toàn cho người tiêu dùng và cho môi trường. • Tuy trong quá trình chế biến, các sản phẩm chuyển gen đều đã bị phân hủy, song có ba vấn đề an toàn thực phẩm được đưa ra. • - Thứ nhất, liệu có thể loại bỏ hết toàn bộ hoạt tính của các sản phẩm chuyển gen bằng những hình thức chế biến thông thường như nấu chín? • - Thứ hai, đó là nguy cơ gây dị ứng đối với người tiêu dùng. • - Thứ ba, độc tố của sản phẩm đối với sức khỏe người tiêu dùng. • Rủi ro về môi trường của những loài thủy sinh vật chuyển gen rất đáng lo ngại. Đó là nguy cơ “dòng chảy gen” (gene flow). Ngoài ra còn có những rủi ro về sinh thái. 3.5 TRIỂN VỌNGTƢƠNG LAI Trong thập niên sắp tới, những tiến bộ mới trong công nghệ sinh học nông nghiệp sẽ sản sinh ra những loài cây trồng có thể chịu đựng tốt hơn các tình trạng hạn hán, nóng và lạnh; đòi hỏi sử dụng ít phân bón và thuốc trừ sâu hơn; sản sinh các loại vaccin phòng các bệnh truyền nhiễm chính ; có kích thƣớc, số lƣợng hạt, và hàm lƣợng dinh dƣỡng gia tăng ; và có thể tái sinh sản trong điều kiện thiếu tác nhân lai tạp – sinh sản mạnh. Các loài cây trồng có hàm lƣợng dinh dƣỡng cao cũng sẽ đƣợc phát triển để khắc phục tình trạng thiếu dinh dƣỡng tại các nƣớc đang phát triển. Hiện nay giống “gạo vàng 2” đƣợc đƣa vào thử nghiệm có thể sản sinh tới 30 microgram beta-caroten, một tiền chất của vitamin A, theo một bài báo xuất bản gần đây của Jacqueline Paine và cộng sự. Theo các tác giả này, lƣợng beta-caroten này có thể cung cấp ít nhất 50% lƣợng vitamin A hàng ngày cần cho một khẩu phần điển hình gồm 60g gạo. • Một số nƣớc chủ yếu nhƣ Mỹ và Trung Quốc đang đẩy mạnh hoạt động trong lĩnh vực công nghệ sinh học nông nghiệp, đầu tƣ một cách thích đáng cho các hoạt động nghiên cứu, triển khai và xây dựng một hệ thống pháp quy phù hợp cho việc sử dụng và kinh doanh các loài cây mới đƣợc cải thiện bằng công nghệ sinh học. • Nếu chúng ta chuẩn bị tạo ra một nền nông nghiệp kiểu mới trong thế kỉ XXI, vừa bền vững vừa có sản lƣợng cao để đảm bảo an toàn thực phẩm và tự túc đƣợc năng lƣợng, chúng ta sẽ cần sử dụng mọi công cụ và phát minh khoa học sẵn có, kể cả công nghệ sinh học và kĩ thuật di truyền và tiếp tục đi theo con đƣờng có những đột phá nông nghiệp đã từng thúc đẩy tiến bộ của loài ngƣời hàng nghìn năm. Trước hết là không có một công nghệ nào là an toàn tuyệt đối: - Điện thoại di động ảnh hưởng đến tim, não bằng sóng điện từ, chưa thể kết luận được ảnh hưởng lâu dài. - Điện hạt nhân có nguy cơ gây phóng xạ; thuỷ điện gây thay đổi sinh thái môi trường. Cây trồng chuyển gen và sản phẩm chuyển gen có thực sự an toàn không? - Động cơ đốt trong, Ôtô, xe máy: sinh ra khí thải, gây bệnh đường hô hấp, ung thư phổiGây chết người bằng tai nạn trực tiếp - ở Việt Nam 12 ngàn người chết mỗi năm. - Trong tất cả các trường hợp trên con người đều phải cân đối giữa lợi và hại để quyết định sử dụng hay không sử dụng một công nghệ An toàn giao thông được đảm bảo bằng “luật giao thông” An toàn trong việc sử dụng cây trồng chuyển gen được đảm bảo “luật an toàn sinh học” Làm thế nào đảm bảo an toàn trong sử dụng cây trồng biến đổi gen? - Đối với công nghệ gen các nhà khoa học phải tính toán, gen nào, lấy từ đâu đưa vào cây trồng nào và đưa vào bằng cách nào để đảm bảo tính an toàn cao nhất cho môi trường, con người và đa dạng sinh học. - Khi có cây trồng biến đổi gen ngưòi ta phải nghiên cứu ảnh hưởng của nó đối với môi trường, đa dạng sinh học và con người. - Chỉ khi gen đó, với phương pháp chuyển như thế, trong loại cây trồng đó được khẳng định là an toàn thì mới được phép sử dụng. - Điều này cho phép khẳng định cây trồng chuyển gen và sản phẩm của chúng an toàn không kém cây trồng thông thường. Thực phẩm biến đổi gen: Có lợi hay có hại? 1. Một vài thuận lợi của thực phẩm biến đổi gen: Dân số thế giới ngày càng tăng, việc cung cấp thực phẩm để nuôi số dân này là một thách thức. Thực phẩm biến đổi gen có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu này qua một số đặc điểm sau đây: • Kháng sâu. • Chịu đựng đƣợc thuốc diệt cỏ. • Kháng đƣợc bệnh tật cho cây trồng. • Chống chịu đƣợc lạnh, khô hạn, mặn. • Dinh dƣỡng cao. • Có dƣợc tính. • Thực vật hỗ trợ việc làm sạch môi trƣờng (hấp thu kim loại trong đất). 2. Những khuyến cáo chống lại thực phẩm biến đổi gen: • Gây nguy hiểm không định trƣớc đối với các sinh vật khác. Nghiên cứu cho thấy bắp chuyển gen B.t. gây tỉ lệ chết cao trên các lòai bƣớmbông tai. Bƣớm này ăn bông tai chứ không ăn bắp nhƣng ngƣời ta cho rằng hạt phấn của bắp B.t. đã phát tán sang các cánh đồng kế cận và bƣớm đã ăn phải các hạt phấn này. Độc chất của B.t. có thể giết chết côn trùng ở giai đoạn ấu trùng. • Làm giảm hiệu quả của thuốc trừ sâu: Ngƣời ta đã thấy xuất hiện lòai muỗi có khả năng kháng lại thuốc DDT. • Có hiện tƣợng chuyển gen đến loài không phải là mục tiêu (do lai chéo). • Ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời: – Gây dị ứng đối với các cơ thể nhạy cảm. – Những ảnh hƣởng không rõ trên sức khỏe con ngƣời nếu dùng thực vật chuyển gene vì hiện tƣợng này đã quan sát thấy trên động vật hữu nhũ. • Trở ngại về mặt kinh tế: Quá trình đƣa một thực phẩm chuyển gen vào thị trƣờng khá phức tạp, nếu không có tài trợ ban đầu thì khó mang lại hiệu quả mong muốn. Vai trò của chính phủ trong việc điều hành thực phẩm chuyển gen Các quốc gia trên thế giới có phƣơng thức điều hành khác nhau về thực phẩm chuyển gen. • Ở Nhật Bản, Bộ Y tế đề nghị kiểm tra một số tiêu chuẩn ảnh hƣởng đến sức khỏe của thực phẩm chuyển gen. Trên thị trƣờng Nhật tồn tại cả 2 loại thực phẩm chuyển gen và không chuyển gen, trong đó xu hƣớng ngƣời tiêu dùng ƣa chuộng thực phẩm không chuyển gen hơn. • Chính phủ Ấn Độ chƣa công bố một chính sách nào đối với thực phẩm chuyển gen vì ở Ấn Độ chƣa hề có nuôi trồng thực phẩm chuyển gen. Tuy nhiên các nghiên cứu về thực phẩm chuyển gen vẫn đang thực hiện và có xu hƣớng khẳng định rằng mặt lợi từ thực phẩm chuyển gen sẽ cao hơn mặt rủi ro vì đây là một quốc gia đông dân, vấn đề sản lƣợng lƣơng thực phải đƣợc đặt lên hàng đầu. • Một số bang ở Brazil cấm hoàn toàn thực phẩm chuyển gen. Tuy nhiên nông dân Brazil vẫn đang lƣu giữ các hạt giống chuyển gen vì họ e ngại những thiệt hại về kinh tế nếu phải cạnh tranh với thị trƣờng toàn cầu, nhất là những nƣớc xuất khẩu nông sản. • Cộng đồng châu Âu phản ứng khá quyết liệt với thực phẩm chuyển gen. • Ở Hoa Kỳ, việc điều hành thực phẩm chuyển gen khá lẫn lộn vì có đến 3 cơ quan liên quan. – EPA đánh giá cây trồng chuyển gen ở khía cạnh an toàn cho môi trƣờng. – USDA đánh giá cây chuyển gen có thể an toàn để trồng. – FDA đánh giá cây trồng chuyển gen có thể an toàn để ăn. Dân số toàn cầu Từ 6.05 tỷ thành 7.5 tỷ VIỆT NAM TỪ 80 TRIỆU THÀNH 100 TRIỆU Sản lượng ngũ cốc phải tăng 50% Để nuôi số dân này ... Sản lượng ngũ cốc Việt Nam phải đạt 50 triệu tấn • Phá rừng, xói mòn • Bóc lột đất quá mức • Thay đổi môi trường • Thiếu đất canh tác do nhu cầu nhà ở, đô thị hoá, phát triển công nghiệp... • Tài nguyên hết dần Trong khi đó tiềm năng sản xuất nông nghiệp bị hạn chế bởi ... Nguồn: FAO Một số thành tựu Công nghệ sinh học ở Việt Nam Vi nhân giống Sugar can Hệ thống vi nhân giống Công nghệ đơn bội lúa Công nghệ đơn bội ngô Anther donor plant in the field Microspore in middle uninucleous stage Embryos formed from anthers Inbreed line created within 8 months Chuyển gen