Tổng luận khoa học - công nghệ - kinh tế TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN

Tổng luận khoa học - công nghệ - kinh tế TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN MỤC LỤC GIỚI THIỆU I KHÁI NIỆM VÀ LỢI ÍCH CỦA CƠNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN 1.1 Tài nguyên sinh vật biển 1.2 Công nghệ sinh học biển 1.3 Lợi ích cơng nghệ sinh học biển người hành tinh 10 1.3.1 An ninh lương thực 10 1.3.2 Y học 12 1.3.3 An ninh nhiên liệu 14 1.3.4 Công nghiệp chế biến 18 1.3.5 Hàng hóa sinh thái dịch vụ từ tài nguyên biển 20 II TIỀM NĂNG KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN 23 2.1 Giá trị thị trường công nghệ sinh học biển 25 2.2 Đóng góp kinh tế đại dương 27 2.3 Đo lường yếu tố đầu vào công nghệ sinh học biển 28 2.4 Các số khác 29 2.5 Giá trị phi thị trường đại dương 30 III HẠ TẦNG XÂY DỰNG VÀ CHIA SẺ TRI THỨC CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN 33 3.1 Hạ tầng nghiên cứu 33 3.2 Hợp tác quốc tế để thúc đẩy đổi hạ tầng NC&PT 38 KẾT LUẬN 43 Tài liệu tham khảo 45 GIỚI THIỆU Công nghệ sinh học biển ngày quan tâm tiến khoa học nâng cao nhận thức người đa dạng sinh học biển, phát triển công nghệ công cụ tiếp cận nghiên cứu sinh vật biển hệ sinh thái Nguồn tri thức sinh vật biển mở rộng nhanh chóng lồi phát tính phức tạp đa dạng sinh học sinh vật biển hệ sinh thái thừa nhận Tài nguyên sinh vật biển có tiềm lớn, nguồn cung cấp sản phẩm quy trình mới, chưa khai thác triệt để Việc ứng dụng công nghệ sinh học cho nguồn tài nguyên giúp giải thách thức toàn cầu lương thực, an ninh lượng y tế góp phần thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp xanh bền vững Đồng thời, điều kiện để trì mối quan hệ bền vững bảo tồn sử dụng tài nguyên sinh vật biển xác định rõ Sinh vật biển sống hệ thống đại dương rộng lớn kết nối với nhau, góp phần điều chỉnh nhiệt độ điều kiện khí hành tinh Dòng hải lưu mang theo sinh vật biển, chất dinh dưỡng chất thải vào ngồi biên giới quốc gia Mơi trường biển chung với sinh vật di chuyển phân tán mặt địa lý thể thách thức quản lý liên quan đến việc tiếp cận phát triển tài nguyên biển Sự tương quan tài nguyên sinh học biển hệ sinh thái biển phức tạp làm tăng thêm khó khăn việc nghiên cứu, bảo tồn phát triển sinh vật biển Để khai thác ứng dụng tiềm công nghệ sinh học biển, phủ nước cần hành động để tác động đến đầu tư cho nghiên cứu bản, phát triển quan hệ hợp tác phổ biến tri thức đến người sử dụng cuối Ngoài ra, phủ cần phải xem xét mơi trường sách phù hợp cho phép thúc đẩy phát triển đổi lĩnh vực Với 3000 km bờ biển, khoa học, công nghệ kinh tế biển đóng vai trị quan trọng phát triển Việt Nam Để giúp bạn đọc hiểu rõ tiềm giá trị kinh tế công nghệ sinh học biển, Cục Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia xin chân trọng giới thiệu tổng luận: “Triển vọng phát triển công nghệ sinh học biển” CỤC THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA I KHÁI NIỆM VÀ LỢI ÍCH CỦA CƠNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN 1.1 Tài nguyên sinh vật biển Cho đến thời điểm gần đây, gần kiến thức tính đa dạng sinh vật biển gần Các đại dương rộng lớn hầu hết chưa thăm dò khả hỗ trợ sống đại dương tương đối biết đến Cá, động vật có vỏ, thực vật biển động vật có vú biển bị đánh bắt hàng thiên niên kỷ, việc tiếp cận tìm hiểu tồn tài ngun sinh vật biển thách thức cần giải Chuyến lịch sử Darwin tàu HMS Beagle vào năm 1831 khởi nguồn cho tri thức tài nguyên sinh vật biển Kể từ xuyên suốt gần hết kỷ 19, sinh vật biển thu thập phân loại theo cách cấp thiết hoạt động thăm dò lập đồ đại dương Hoạt động thu thập thường diễn dọc theo khu vực ven biển tầng nước biển phía Đến năm 1864, nhà nghiên cứu Na Uy phát dạng sống biển sâu đến 3.109m, huệ biển có thân (stalked crinoid) Vài năm sau, tàu HMS Challenger sửa đổi phục vụ nghiên cứu khoa học loài sinh vật biển Cuộc thám hiểm Challenger (trong thời gian từ 1872-1876) tiến hành lập đồ lấy mẫu toàn đại dương, bờ biển khơi Cuộc thám hiểm diễn phạm vi gần gần 130.000 km phát 715 giống 4.417 loài sinh vật biển Kết thám hiểm dẫn đến 50 báo cáo công bố 75 năm tiếp theo, hầu hết kiến thức địa lý sinh học đại dương giới bắt nguồn từ phân tích sưu tập có chuyến thám hiểm Ngày nay, nhờ có tiến cơng nghệ thăm dị đại dương dự án lớn Cuộc điều tra sinh vật biển kéo dài thập kỷ, người hiểu rõ địa lý sinh học biển Cuộc điều tra xác định 6.000 loài mới, làm tăng số lượng loài sinh vật biển lên 250.000 lồi Những tiến cơng nghệ gen tiếp tục làm phong phú thêm hiểu biết tài nguyên sinh vật biển đồng thời tiết lộ nhiều điều mẻ Trên thực tế, theo ước tính, 90% loài đại dương chưa biết đến Đa dạng sinh học biển: Khai thác tiềm di truyền to lớn Phạm vi rộng lớn đại dương (bao phủ 2/3 bề mặt hành tinh) lịch sử tiến hóa lâu đời sở đa dạng sinh học biển Sự sống bắt đầu đại dương cách bốn tỷ năm khoảng ba tỷ năm, sống tồn đại dương Yếu tố kết hợp mơi trường khắc nghiệt đại dương, làm tăng tính đa dạng sinh học đáng ngạc nhiên môi trường biển Thuật ngữ "đa dạng sinh học" Walter Rosen đưa vào thập niên 80 rút gọn thuật ngữ “tính đa dạng sinh học” từ trở thành nội dung tài liệu khoa học văn hóa dân gian Định nghĩa đa dạng sinh học chưa có thống Đa dạng sinh học thường định nghĩa phạm vi rộng bao gồm hệ sinh thái, loài đa dạng di truyền Mối liên hệ nội với tính đa dạng di truyền cho thấy tiềm công nghệ sinh học biển Trước đây, việc tìm hiểu đa dạng sinh học tiềm di truyền vốn có tài nguyên sinh vật biển bị cản trở thực tế phần lớn sinh vật biển dễ dàng nuôi cấy phịng thí nghiệm Người ta cho phần nhỏ số 1% vi khuẩn biển ni cấy phương pháp có Và rõ ràng, việc nuôi cấy virus thể thực khuẩn chí cịn khó khăn nhiều Tình trạng thay đổi sau thập kỷ có đầu tư cho khoa học “omic” công nghệ liên quan Các cơng cụ di truyền lập trình tự ADN thông lượng cao, sử dụng để tiếp cận nghiên cứu mẫu nuôi cấy Sự quan tâm giới khoa học tài nguyên sinh vật biển gia tăng nhanh chóng: năm 1980 có 108 ấn phẩm liên quan đến công nghệ sinh học biển, giai đoạn từ 1994 đến 1996, riêng Hoa Kỳ có 700 ấn phẩm Metagenomics2, sử dụng thành công môi trường cạn, cho phép nghiên cứu nhiều phân đoạn hệ sinh thái môi trường biển cấp độ phân tử dẫn đến cung cấp tri thức sinh vật biển Metagenomics sử dụng để nghiên cứu tài nguyên sinh vật biển ni cấy Kết ban đầu chứng nhận tính đa dạng tài nguyên sinh vật biển nguồn to lớn cung cấp trình sản phẩm sinh học hóa học để từ phân lập, mơ hình hóa tạo hợp chất hoạt tính sinh học Dưới đại dương, hầu hết đa dạng di truyền xuất vi khuẩn, cổ khuẩn, sinh vật nguyên sinh (một nhóm sinh vật nhân thực gần đơn bào) virus Thật vậy, sống đại dương tính theo trọng lượng chủ yếu vi khuẩn Theo số lượng, 90% dạng sống sinh học đơn lẻ đại dương virus, 8-9% sinh vật nhân sơ phần lại sinh vật nguyên sinh; dạng sống lớn cá cá Khoa học “omic” nghiên cứu gen, chuyển hóa protein trao đổi chấ.t Metagenomics nghiên cứu vật liệu di truyền lấy từ mẫu môi trường voi chiếm số lượng nhỏ Tính trung bình, có 10 triệu virus triệu sinh vật nhân sơ lít nước biển Tiến khoa học công nghệ gen cho phép tiếp cận phân tích vi khuẩn khơng thể ni cấy Nhưng nghiên cứu cấp độ phân tử gặp khó khăn, số lượng tính đa dạng sinh vật biển gen có sẵn cho ứng dụng công nghệ sinh học gia tăng theo cấp số nhân Điều thúc đẩy thay đổi mơ hình nhận thức người đại dương Các nguồn tài nguyên sinh vật biển khơng cịn xem nguồn thức ăn mà coi “kho lớn” chứa sinh vật gen với tiềm vô hạn cho hoạt động phát triển thăm dò 1.2 Công nghệ sinh học biển Công nghệ sinh học biển xem việc sử dụng nguồn tài nguyên sinh vật biển làm mục tiêu làm nguồn cung cấp ứng dụng công nghệ sinh học bao gồm: - Sinh vật biển phận chúng sử dụng làm nguyên liệu (ví dụ: để sản xuất thực phẩm, nhiên liệu, vật liệu hợp chất hoạt tính sinh học) - Các sản phẩm chiết xuất từ sinh vật biển - Các sản phẩm phát triển phịng thí nghiệm thơng qua sử dụng tri thức quy trình tự nhiên tính chất sinh vật biển, bao gồm sản phẩm tạo từ ADN sinh vật biển kỹ thuật di truyền sinh học tổng hợp - Các trình xúc tác sinh vật biển chất dẫn xuất từ sinh vật - Các dịch vụ hệ sinh thái (ví dụ: cảm biến sinh học xử lý sinh học) - Ứng dụng tri thức công nghệ sinh học, ví dụ: để bảo vệ sức khỏe cá (vắcxin, thức ăn, chăn nuôi) - Hiểu lập đồ hệ sinh thái dựa vào công cụ kiến thức chung công nghệ sinh học Hiểu biết rộng công nghệ sinh học biển bao gồm hình thức cơng nghệ sinh học biển truyền thống ni trồng thủy sản hình thức đại bioprospecting3 chọn lọc cá nuôi cấy dựa vào số Các hình thức cơng nghệ sinh Bioprospecting trình phát thương mại hóa sản phẩm từ tài nguyên sinh học học biển chủ yếu thực nhờ tiến khoa học công nghệ hai thập kỷ qua đề cập Hình 1.1 Dịch vụ •Quản lý hệ sinh thái •Nghiên cứu •Xử lý sinh học Văn hố Sản phẩm Hộp cơng cụ cơng nghệ sinh học •Khám phá sinh học •Sinh học phân tử •Sinh hóa •Cơng nghệ nano •Bioinformatics •Omics •Thuốc •Nhiên liệu sinh học •Điện •Thức ăn •Enzyme •Hợp chất •Thiết kế ADN Hình 1.1 Cơng nghệ sinh học biển: Tài nguyên - Hạ tầng - Đổi Nguồn: European Science Foundation-Marine Board (2010), “Marine Biotechnology: A New Vision and Strategy for Europe”, Position Paper 15, ESF, www.esf.org/marineboard, accessed March 2011 Giải thách thức toàn cầu công nghệ sinh học biển Trong 60 năm qua, công nghệ sinh học mang lại số tiến đáng ý y học, mỹ phẩm, dược phẩm dinh dưỡng, sản xuất thực phẩm ứng dụng công nghiệp lọc sinh học Các ứng dụng công nghệ sinh học biển đa dạng nhiều hội đề cập nghiên cứu gần OECD công nghệ sinh học, bao gồm sản xuất thực phẩm nhiên liệu sinh học (công nghệ sinh học nông nghiệp), bào chế loại thuốc (công nghệ sinh học y tế), phát triển vật liệu (công nghệ sinh học công nghiệp) phát triển công nghệ xử lý sinh học (công nghệ sinh học môi trường), tồn song song với lĩnh vực công nghệ sinh học biển Điều cho thấy cơng nghệ sinh học biển giúp giải thách thức toàn cầu liên quan đến lượng thực, an ninh nhiên liệu, sức khỏe người quy trình cơng nghiệp bền vững Tiến khoa học công nghệ gần thu hút quan tâm lớn đến công nghệ sinh học biển nguồn đổi sáng tạo tăng trưởng kinh tế Chính phủ nhiều nước thừa nhận tầm quan trọng công nghệ sinh học biển kinh tế thông qua đầu tư kinh phí cho nỗ lực xác định tiềm lĩnh vực đưa chiến lược thức để phát triển công nghệ sinh học biển Liên minh châu Âu có số chương trình hỗ trợ công nghệ sinh học biển ERA-NET AMPERA, Marinera, MARIFISH SEAS - ERA Mạng lưới Chương trình khung gen sinh vật biển châu Âu Trong Ai-len xây dựng chiến lược công nghệ sinh học biển, hầu lồng ghép nội dung vào chiến lược công nghệ sinh học chiến lược cơng nghệ mở rộng Ví dụ, Na Uy có lịch sử thăm dị hàng hải lâu đời công nghệ sinh học biển nội dung thiếu chiến lược đổi sáng tạo phát triển kinh tế đất nước lĩnh vực cần có đầu tư liên tục Chiến lược công nghệ sinh học biển quốc gia Na Uy đề cập đến công nghệ sinh học biển năm 2009, phủ cơng bố Chiến lược quốc gia bioprospecting; chiến lược có tầm nhìn từ 10–15 năm tập trung vào việc tạo giá trị từ khám phá sinh học cách hoạt động thông qua chuỗi giá trị từ viện nghiên cứu đến ngành công nghiệp Chiến lược thực BIOTEK2021, chương trình Hội đồng Nghiên cứu Na Uy Chương trình nhằm khuyến khích phát triển sử dụng công nghệ sinh học biển, chương trình chuyên đề liên quan đến đại dương (HAV) sản xuất lương thực (NATUROGNỈRING) Chiến lược Na Uy đổi đưa thỏa thuận song phương với Vương quốc Anh có nhiều hoạt động kết nối để thúc đẩy sử dụng tài nguyên biển thông qua phương pháp công nghệ sinh học Mặc dù Canada khơng có chiến lược cơng nghệ sinh học biển quốc gia, quan tâm đến việc áp dụng công nghệ sinh học ngành hàng hải Các lĩnh vực công nghệ sinh học biển nuôi trồng thủy sản bioprospecting để tìm hợp chất mới, nhận hỗ trợ từ chương trình sáng kiến phủ, ví dụ: Hội đồng Nghiên cứu quốc gia Canada (NRC) quỹ gen Canada tài trợ cho NC&PT gen Tại Hoa Kỳ, công nghệ sinh học biển trở thành nội dung thảo luận sách kể từ báo cáo “Công nghệ sinh học kỷ 21: Những chân trời mới” Hội đồng Khoa học Công nghệ quốc gia công bố Nhiều nước châu Á đặt ưu tiên cao cho công nghệ sinh học biển Năm 1996, Trung Quốc bổ sung công nghệ sinh biển vào nội dung riêng biệt Kế hoạch Phát triển công nghệ cao nhà nước (Chương trình 863 Bộ Khoa học Công nghệ Trung Quốc) tăng nguồn lực cho khu vực theo Kế hoạch năm lần thứ thứ Năm 2001, Nhật Bản, công nghệ sinh học biển đưa vào Chiến lược Công nghệ sinh học năm 2002 hỗ trợ số Bộ Ở Hàn Quốc, công nghệ sinh học biển trọng tâm Blue-Bio 2016: Kế hoạch chiến lược công nghệ sinh học biển Bộ Thổ nhưỡng, Giao thông Hàng hải Chiến lược đưa công nghệ sinh học biển vào trung tâm chiến lược tăng trưởng xanh nhằm mục tiêu đạt tổng sản phẩm quốc gia (GNP) bình quân đầu người 40.000 USD nhờ vào thành tựu công nghệ sinh học biển Chiến lược này, kèm với đầu tư lớn trọng nghiên cứu phát triển sinh vật biển, phát triển vật liệu từ biển bảo tồn môi trường biển, thiết kế để đưa Hàn Quốc trở thành nước dẫn đầu giới lĩnh vực vào năm 2016 Mối đe dọa nguồn tài nguyên sinh vật biển: Thách thức tính bền vững Khi công nghệ sinh học biển ngày quan tâm, nhận thức yếu tố đe dọa khả sinh tồn tính đa dạng nguồn tài nguyên sinh vật biển nâng lên Trong đó, phát thải khí nhà kính mối đe dọa lớn Sự gia tăng phát thải khí nhà kính chủ yếu đốt nhiên liệu hóa thạch nhiên liệu cacbon khác bao gồm gỗ, than, dầu khí tự nhiên, góp phần làm tăng lượng khí CO2 khí từ mức 280 ppm lên 396 ppm kể từ cách mạng cơng nghiệp Chính điều phần gây nóng lên tồn cầu với nhiệt độ Trái đất tăng trung bình khoảng 0,8°C kể từ đầu kỷ 20 Nóng lên tồn cầu biến đối khí hậu làm cho mực nước biển dâng cao phá vỡ cân tinh tế hệ sinh thái biển dịch vụ mà chúng cung cấp cho hành tinh người Thay đổi nhiệt độ kiện thời tiết khắc nghiệt dự báo, làm thay đổi nơi cư trú loài sinh vật biển, mở rộng nơi cư trú số loài lại thu hẹp nơi cư trú loài khác, dẫn đến nạn tuyệt chủng số loài gia tăng loài xâm lấn hệ sinh thái chuỗi thức ăn điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện Ví dụ, theo ước tính, vùng nước ấm làm suy giảm 1% quần thể thực vật phù du, nguồn cung cấp nửa số lượng oxy cho người động vật Tác động phát thải khí nhà kính giảm thiểu cacbon cô lập bể chứa, điều dẫn đến vấn đề khác nguồn lợi sinh học biển Đại dương, bể chứa cacbon lớn tự nhiên, hấp thụ khoảng ¼ lượng khí CO2 thải vào khí năm Kể từ cách mạng công nghiệp, đại dương hấp thụ 700 tỷ CO2 Điều làm giảm độ pH nước biển 0,1 đơn vị, lại làm tăng 30% tính axit nước biển giảm nồng độ ion cacbonat Axit hóa đại dương gây tác động xấu đến sinh vật biển có vỏ san hô động vật giáp xác, ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển mong manh đe dọa hoạt động sản xuất động vật giáp xác, đe dọa đến ngành cơng nghiệp có liên quan Các hoạt động khác người đe dọa tài nguyên sinh vật biển Đánh bắt mức làm giảm phần trữ lượng cá gần đến mức tuyệt chủng hoạt động nghề cá mang tính hủy diệt đánh cá đáy biển, tàn phá môi trường sống đáy đại dương Phát triển ven biển gây phát sinh chất thải sinh hoạt công nghiệp tiếp tục làm xáo trộn hệ sinh thái biển đe dọa môi trường sống ven biển số khu vực Trong trường hợp cực đoan, ô nhiễm nông nghiệp dẫn đến tình trạng thiếu oxy, làm suy yếu hệ sinh thái biển tạo nên “vùng chết” vĩnh viễn Các chất ô nhiễm hữu dầu thô, hydrocacbon, sản phẩm dầu mỏ hợp chất chứa halogen bắt nguồn từ mặt đất (dòng thải), từ tượng rị rỉ q trình vận chuyển (bao gồm cố đường ống) từ cố kiểm sốt ngồi tầm kiểm sốt khác vụ tràn dầu năm 1991 từ Cuộc chiến tranh vùng Vịnh Trong vụ tràn dầu biển ý đến nhiều nghiên cứu gần cho thấy chúng chiếm khoảng 10% số nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường biển Các chất ô nhiễm phổ biến không ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật biển, mà tác động xấu đến đời sống kinh tế - xã hội cộng đồng ven biển Chất thải rắn dạng hạt, có lẽ minh họa sinh động hình ảnh Đảo rác Thái Bình Dương nằm Thái Bình Dương, ví dụ khác nhiễm người gây Nhựa, bùn hóa học mảnh vụn khác bị mắc kẹt dòng hải lưu, mối đe dọa liên tục tài nguyên sinh vật biển Các hạt nhỏ, số hóa chất độc hại kim loại nặng bám chặt vào chúng, bị sinh vật phù du động vật nhỏ ăn phải cuối di chuyển vào chuỗi thức ăn Chất rắn bít kín rạn san hô, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe sinh vật Các chất rắn, nhựa sợi dây cỡ lớn bẫy cá lớn Khai khống biển sâu vận tải góp phần gây ô nhiễm môi trường biển, cản trở hoạt động sinh vật biển hệ sinh thái biển liên quan ảnh hưởng đến dịch vụ hệ sinh thái môi trường biển Những mối đe dọa tài nguyên sinh vật biển có thật hầu hết trường hợp, thiệt hại khơng thể khắc phục Chính phủ, đặc biệt người tìm kiếm lợi ích kinh tế xã hội từ công nghệ sinh học biển, hưởng lợi việc đảm bảo nguồn tài nguyên sinh vật biển phát triển theo cách vừa hiệu vừa bền vững Để làm điều này, cần phải tìm kiếm cân hợp lý khai thác lợi ích từ nguồn tài nguyên biển mở rộng hệ sinh thái biển phức tạp Mạng lưới cung cấp liên kết đến số nghiên cứu (chủ yếu Hoa Kỳ) giá trị phi thị trường đại dương sử dụng việc đánh giá đại dương Giá trị phi thị trường thường liên quan đến lợi ích giải trí mơi trường biển ven biển dịch vụ môi trường đại dương cung cấp, giá trị vượt lợi ích trực tiếp mà đại dương bờ biển mang lại NOEP cố gắng ước tính giá trị xã hội yếu tố bãi biển nguyên sơ California, đời sống hoang dã phong phú Florida Keys hệ thống đất ngập nước rừng ngập mặn giúp giảm thiểu thiệt hại bão Gulf Coast Trong giá trị “thứ vơ hình” khó ước tính, quan trọng phải tính đến giá trị chúng xác định đóng góp mơi trường biển kinh tế Giá trị phi thị trường nhỏ Chỉ riêng Hoa Kỳ, phân tích NOEP cho thấy tổng giá trị phi thị trường nguồn tài nguyên biển ven biển năm tối thiểu lên đến hàng chục tỷ la cịn cao Ví dụ, Florida, theo ước tính, giá trị phi thị trường bảy hoạt động rơi vào khoảng 16,5 tỷ USD đến 53 tỷ USD/năm Việc loại trừ giá trị phi thị trường đánh giá thấp giá trị thực kinh tế biển Một giải pháp thay để xem xét giá trị phi thị trường nguồn tài nguyên biển dựa vào giá trị thị trường khơng có nguồn tài ngun Viện Mơi trường Stockholm đưa cách tiếp cận xem xét giá trị đại dương bị theo kịch biến đổi khí hậu khác Ngay kịch gây tác động khí hậu thấp, làm nghìn tỷ USD giá trị (0,06% GDP) vào năm 2050 Bất kỳ đánh giá kinh tế tài nguyên biển cần tính đến giá trị thị trường phi thị trường phép đưa định sáng suốt việc sử dụng phát triển nguồn tài nguyên biển Do khó xác định giá trị phi thị trường cân suất đại dương tính bền vững, nên cần bổ sung số môi trường kinh tế - xã hội sức khỏe đại dương Chỉ số sức khỏe đại dương Các số mơi trường góp phần nâng cao hiệu phương thức quản lý bảo vệ tài nguyên, bao gồm số sinh học, địa chất, hóa học vật lý mơ tả sức khỏe vùng nước ven biển, chất chất ô nhiễm mối quan hệ chúng với hoạt động người tập trung thị Dù có vài số thơng tin mang tính quốc gia, chúng thường hạn chế so sánh nước Do đó, cần có nghiên cứu sâu để: 31 - Xác định phân tích giá trị sách số định lượng có liên quan - Xác định số khoa học công nghệ có liệu kinh tế - xã hội sở ngành quốc gia - Phân tích giá trị pháp lý (tính hợp lệ) mức độ liên quan số liệu với phát triển sách, minh chứng cho lựa chọn phát triển bền vững phù hợp với vùng - Tổng hợp số có nhằm mục tiêu phát triển số quốc tế, bao gồm định chuẩn số phương thức - Xuất phổ biến báo cáo thường xuyên trạng đại dương hoạt động biển dựa vào số Các liệu đóng góp cho sở liệu tổng thể lực khoa học, kỹ thuật kinh tế xã hội liên quan đến q trình hoạch định sách Như vậy, Cơng nghệ sinh học biển đóng góp cho kinh tế sinh học thông qua phát triển sản phẩm dịch vụ sáng tạo lĩnh vực thực phẩm, y tế sản xuất thông qua tạo việc làm Phạm vi công nghệ sinh học biển hỗ trợ sử dụng bền vững nguồn tài nguyên sinh vật biển, giúp bảo tồn giá trị phi thị trường đại dương lợi ích kinh tế-xã hội liên quan (ví dụ: giải trí, truyền thống văn hóa du lịch) Khả đo lường đóng góp kinh tế-xã hội cơng nghệ sinh học biển quan trọng số lý củng cố ảnh hưởng đến phát triển lĩnh vực tương lai Giá trị thị trường số sản phẩm dịch vụ công nghệ sinh học biển biết đến, yếu tố khác quy mơ giá trị thị trường khó ước tính Khó khăn nảy sinh vừa từ việc theo dõi phạm vi sản phẩm dịch vụ lĩnh vực khác phân tách đóng góp cơng nghệ sinh học biển từ yếu tố khác Sẽ cần tích lũy tri thức đưa định nghĩa chung công nghệ sinh học biển để xây dựng số thích hợp đầu vào đầu Dựa vào phạm vi ứng dụng công nghệ sinh học biển, số biện pháp bước đầu đưa ra, trọng số sản phẩm đầu số nước trước mở rộng quốc gia khu vực khác Mục tiêu lớn xây dựng số kinh tế hệ đo lường phù hợp cho phân tích so sánh quốc gia theo thời gian Để có cân suất đại dương tính bền vững, cần có số cung cấp “đánh giá kinh tế” hệ sinh thái khỏe mạnh Các số bao gồm biện pháp cho đa dạng sinh học ô nhiễm cung cấp thơng tin tính khả 32 dụng nguồn tài nguyên sinh vật biển, tảng công nghệ sinh học biển tiếp đến tiềm kinh tế III HẠ TẦNG XÂY DỰNG VÀ CHIA SẺ TRI THỨC CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN Phạm vi thực hóa lợi ích công nghệ sinh học biển phụ thuộc phần lớn vào khả nhận thức bảo tồn nguồn tài nguyên sinh vật biển hệ sinh thái biển Điều cần có kỹ thu thập phân tích liệu khoa học so sánh liệu với tri thức có Hiện thực hóa tồn tiềm công nghệ sinh học biển đòi hỏi hạ tầng NC&PT phù hợp 3.1 Hạ tầng nghiên cứu Lợi ích to lớn cơng nghệ sinh học biển liên quan đến tiến gần cơng nghệ “omics” (ví dụ: genomics, proteomics) nhận thức nguồn tài nguyên sinh vật biển Các công nghệ tảng cho nhiều hoạt động NC&PT công nghệ sinh học biển tạo nhiều liệu di truyền, giúp hiểu rõ sinh vật biển tiềm phát triển cơng nghệ sinh học Cơng nghệ lập trình tự gen, trước gặp khó khăn kỹ thuật tài chính, chín muồi tạo liệu với tốc độ chưa có so với cách thập kỷ Ví dụ, cơng nghệ HiSeq cơng ty Illumina năm tạo khoảng 10 terabits (Tb) liệu lập trình tự gen máy công suất từ công nghệ tương lai dự kiến tăng lên 112Tb/máy vào năm 2015 Trong đó, chi phí cho chuỗi nucleotide giảm xuống nhanh chóng Dù có tiến cơng nghệ "omics", người biết đến đa dạng sinh học biển tiềm tài nguyên sinh học Những mà người biết chiếm 10% loài sinh vật biển, phần dễ tiếp cận nhất, bao gồm hầu hết động vật có vú, cá thực vật lớn vi khuẩn phổ biến dễ ni cấy Phần cịn lại chủ yếu sinh vật biển biết đến Metagenomics cộng đồng vi khuẩn biển mở cánh cửa đa dạng sinh học Sự đời gần công nghệ lập trình tự đơn bào (SCS) tiếp tục cải thiện khả liên kết cấu trúc chức cộng đồng vi sinh vật thập kỷ tới Đầu tư trước cho lĩnh vực genomics dẫn đến thời kỳ phục hưng công nghệ sinh học biển, làm nảy sinh thách thức hạ tầng có nguy hạn chế tốc độ đạt lợi ích Việc ứng dụng rộng rãi cơng nghệ sinh học biển rõ ràng cần có hạ tầng bổ sung 33 Các cơng cụ quy trình để thu gom, nuôi cấy phân loại mẫu Các cơng cụ quy trình thu gom mẫu từ mơi trường biển cải thiện Tuy nhiên, hoạt động thăm dị lấy mẫu cịn khó khăn khu vực có mơi trường khắc nghiệt, mở tiềm lớn khám phá sinh vật có chức Rãnh Mariana Tây Thái Bình Dương ví dụ điển hình Tại điểm sâu nhất, sâu đến 10 km cột nước tạo áp suất 15.750 psi, gấp hàng nghìn lần áp suất khí mực nước biển Tính đến năm 2012, bốn thám hiểm thực đáy rãnh số thám hiểm khác lên kế hoạch, gặp khó khăn kỹ thuật, tốn nguy hiểm Việc lấy mẫu bị hạn chế, dù sinh vật sống thu gom, việc nuôi cấy nghiên cứu chúng thách thức Trong môi trường khắc nghiệt này, cần có tàu cơng nghệ tiên tiến cho hoạt động NC&PT công nghệ sinh học biển Nuôi cấy cung cấp phương tiện để phân tích chuyên sâu mạng lưới hệ thống sinh hóa bảo tồn tài nguyên biển ngân hàng sinh học Tính chất cộng sinh phức tạp sinh vật biển có nghĩa phương pháp nuôi cấy cần cho nghiên cứu (ví dụ: sinh vật mơ hình, sàng lọc) Đặc biệt, phương pháp phương tiện phát triển nhờ tri thức từ nghiên cứu lĩnh vực metagenomics (và cộng đồng vi sinh liên quan), cho phép truyền thông truyền tín hiệu tế bào, nuôi cấy sinh vật “chưa nuôi cấy” sinh vật cộng sinh Các phương pháp nuôi cấy dựa vào hoạt động trao đổi chất cá thể cộng đồng vi khuẩn, thay đổi triệt để từ cách tiếp cận “phân lập làm phong phú” thông thường sang nuôi cấy tế bào Ở quy mơ sản xuất, ni cấy giải pháp xử lý vấn đề khai thác thiếu bền vững cần cho sản xuất bền vững nhiều hợp chất/phân tử/enzyme Các quy trình dao động từ việc tối ưu hóa nhà máy lọc dầu sinh học để sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo, nuôi cấy sinh vật biến đổi gen (GMO) để sản xuất dược phẩm nuôi cấy vi khuẩn virus phịng thí nghiệm phục vụ phát triển dòng tế bào Bộ sưu tập mẫu vật sinh học (hoặc thành phần chúng) sử dụng để phân tích bảo tồn đa dạng sinh học, tạo thuận lợi cho việc trao đổi tài ngun phát triển sinh vật mơ hình Ngân hàng sinh học chứa mẫu nuôi cấy sống, lưu trữ axit nucleic, thư viện giải nén (như thu thập từ công cụ phương tiện sắc ký mới) thư viện hợp chất (cho phép nghiên cứu cấu trúc, chức nguồn gốc) thúc đẩy phát triển phân tử, hợp chất chất hoạt tính sinh học Việc phát 34 triển kỹ thuật khả bảo quản cryo hỗ trợ xây dựng ngân hàng sinh học nuôi cấy ấu trùng sinh vật biển quy mô thương mại Cơ sở liệu Cơ sở liệu phần thiếu nghiên cứu nguồn tài nguyên sinh vật biển đa dạng sinh học Hiện có số sở liệu chứa nhiều loại thông tin khác Cơ sở liệu sinh vật biển (WORMS) xây dựng nỗ lực toàn cầu để lập danh mục tất loài sinh vật biển Dự án có tham gia 270 chuyên gia phân loại đến từ 185 tổ chức 38 quốc gia sở liệu mô tả 215.000 lồi WORMS truy cập Internet phân chia thành cổng phụ cho nhóm phân loại khác Hệ thống Thơng tin sinh - địa lý đại dương (OBIS) UNESCO-IOC/IODE nguồn cung cấp thông tin lớn phân bố loài sinh vật biển kế thừa liệu Cuộc điều tra sinh vật biển (COML) kéo dài 10 năm OBIS chứa 32 triệu ghi từ 1.000 liệu 100.000 loài sinh vật biển Cơ sở liệu nguồn tài nguyên phong phú để nghiên cứu sinh vật biển đa dạng sinh học môi trường biển Cả hai sở liệu truy cập cơng khai có tảng quốc tế Tuy nhiên, để trì sở liệu này, cần tiếp cận mạng lưới trạm, giàn khoan biển đài quan sát Ngoài cần thu hút nhóm chuyên gia phân loại để đảm bảo liệu có chất lượng cao Công việc mở hội hợp tác Ví dụ, việc thiết lập đài quan sát biển cung cấp hội thu gom mẫu vật liệu dư thừa mẫu nước biển để bảo tồn ngân hàng sinh học phục vụ cho sử dụng sau cho công nghệ tương lai Ngồi cịn có nhu cầu kết nối thông tin sở liệu với thơng tin di truyền, lồi nơi cư trú sở liệu khác Cuối cùng, việc chuẩn hóa phương thức thu gom phân loại mẫu tạo thuận lợi cho việc đồng hóa cơng việc nhóm nghiên cứu khác, giúp chia sẻ thông tin dễ dàng Nền tảng sàng lọc phân tích Dữ liệu lập trình tự gen (từ toàn liệu gen đến liệu metagenomics) từ môi trường biển chắn loại thông tin sử dụng NC&PT cơng nghệ sinh học biển Các liệu xây dựng nhanh chóng với chi phí ngày rẻ hạ tầng NC&PT đầy thách thức Có lẽ thách thức trước mắt công nghệ sinh học biển phát triển công 35 cụ tảng thúc đẩy sàng lọc thông lượng cao thông tin liên quan đến “omics” Kỹ thuật sàng lọc tìm cách so sánh liệu chuỗi với thông tin gen biết (bao gồm sản phẩm gen tài liệu biểu gen) để suy cấu trúc, chức nhận dạng trình tự sinh vật quan tâm Các phương thức sàng lọc trước chủ yếu dựa vào so sánh với chuỗi ADN thích (và thơng tin liên quan) sở liệu Ngân hàng gen Cổng tin sinh học gen sinh vật biển châu Âu (MGE) Tuy nhiên, thiếu thông tin tài nguyên sinh vật biển tốc độ liệu chuỗi tạo ra, nên phương pháp chứng minh khơng đủ để thích xác chuỗi gen cho sinh vật biển Hạ tầng gặp khó khăn tính đa dạng sinh học phức tạp mơi trường biển, đòi hỏi phải đưa phương pháp tảng để liên kết kiểu gen với kiểu hình từ tế bào đơn lẻ hệ sinh thái Các hệ thống mơ hình, bao gồm mơ hình silico (Lerman cộng sự, 2012), phát triển cho nhiều sinh vật nhằm thu hẹp khoảng cách kiểu gen kiểu hình Các sinh vật mơ hình cung cấp phương tiện để hiểu rõ q trình sinh hóa từ đó, xác định đường để thay đổi mục tiêu phát triển sản xuất quy mô lớn Các mơ hình tồn số lồi sinh vật biển có tầm quan trọng y tế, cơng nghiệp thương mại (ví dụ: cá hồi nhím biển) cho nghiên cứu tiến hóa phát triển (ví dụ sâu biển annelid) Các hệ thống mơ hình hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ sinh học biển tiên tiến qua đẩy mạnh phương pháp tiếp cận dựa vào hệ thống để giải gen làm sáng tỏ chức gen Trong giai đoạn phát triển, hệ thống mơ hình sử dụng để tiếp cận khai thác sinh vật chất dẫn xuất cần thiết Sinh học tổng hợp cuối ứng dụng lĩnh vực này, đó, sinh vật mơ hình giúp xác định điều chỉnh đường chi phí - hiệu để khai thác sản xuất hợp chất chức sinh vật có ích Các hệ thống mơ hình đặc biệt hữu ích cho nghiên cứu hệ lớp sinh vật vi khuẩn chịu cực hạn, coi nguồn đồ sộ cung cấp chức Định nghĩa hệ thống mơ hình cần mở rộng để tính đến hệ sinh thái đài quan sát đại dương nhằm đánh giá phản ứng cộng đồng sinh vật biển xáo trộn môi trường Khái niệm "bộ gen tối thiểu" cung cấp phương tiện hữu ích để liên kết gen với chức có ích việc xác định đường chuyển hóa tối thiểu liên kết gen với chức Ví dụ, Dufresne et al (2003) công bố chuỗi gen Prochlorococcus marinus, sinh vật biển quang hợp chiếm ưu đại 36 dương Đây sinh vật quang hợp nhỏ Sử dụng sinh vật mô hình gen tối thiểu, xác định gán chức cho gen chưa biết Trong năm gần đây, số sở liệu xây dựng để thúc đẩy việc phân tích so sánh loài Các sở liệu tảng công nghệ sinh học biển chứa liệu phân tử hệ gen cộng đồng vi sinh vật gen riêng lẻ Giống hệ thống Gen vi khuẩn tích hợp (IMG), sở liệu hoạt động nguồn tài nguyên chung để phân tích so sánh thích tất gen cơng bố cơng khai Chúng cung cấp miễn phí cơng khai Sự phức tạp liệu metagenomic gây khó khăn cho việc thích liên kết kiểu gen kiểu hình Thách thức Chisholm Cary (2001) nêu rõ: “Hiểu biết di truyền sinh hóa trình trao đổi chất chức khác tế bào, chủ yếu dựa vào nghiên cứu đường hoàn chỉnh tế bào Tuy nhiên, cộng đồng vi sinh vật tập hợp chức gen phân bố cá thể, tạo thành đường định hướng trao đổi chất lượng bên vi khuẩn Khơng có sinh vật chứa tất gen cần thiết để thực phản ứng địa sinh học đa dạng cấu thành chức cộng đồng sinh thái” Việc thực hóa vấn đề có ý nghĩa quan trọng phương thức chức gen xác định phân loại nhóm vi sinh vật cộng sinh có liên quan, thành đơn vị chọn lọc, sử dụng bảo tồn có ý nghĩa Sự phức tạp cộng đồng vi sinh vật thúc đẩy phát triển sóng hạ tầng điện tử Đặc biệt quan trọng phát triển dịch vụ tương tác cho phép tải thơng tin người dùng phục vụ phân tích trực quan hóa, cho phép nghiên cứu so sánh genomics metagenomics Hạ tầng điện tử cần trọng tính đa chiều liệu di truyền sinh vật biển, bao gồm tính chất vật lý, hóa học thơng tin phân tử để tích hợp siêu liệu với thơng tin trình tự gen đường phân loại trao đổi chất Sự hình thành tảng quản lý liệu dịch vụ thông tin đời sản phẩm liệu phân tích hình ảnh dịch vụ web, xem hội để phát triển gen sinh vật biển công nghệ sinh học Phát triển hạ tầng cần thiết cơng việc có ý nghĩa tài chính, cấu trúc hoạt động Hoạt động liên quan đến việc xem xét tài nguyên sinh vật biển hưởng lợi từ trọng sách Trước đây, hợp tác quốc gia đa phương hạ tầng nghiên cứu chứng minh khía cạnh chia sẻ chi phí nhu cầu xây dựng kinh tế quy mô 37 3.2 Hợp tác quốc tế để thúc đẩy đổi hạ tầng NC&PT Chiến lược Đổi OECD thừa nhận tác động mạng lưới tri thức hoạt động đến hiệu trình đổi mới, kích thích đổi lẫn nâng cao hiệu đổi cách giảm chi phí giao dịch Khi công nghệ sinh học biển trở thành trọng tâm chiến lược đầu tư đổi sáng tạo, điều quan trọng phải đảm bảo xây dựng chế, chia sẻ mang lại giá trị cho tri thức kích thích đổi sáng tạo Do tính chất tồn cầu tài ngun sinh vật biển, nên hữu ích xem xét phương pháp tiếp cận quốc tế, xuyên biên giới để đẩy mạnh đổi sáng tạo hạ tầng NC&PT Sự tồn số chương trình sáng kiến tài trợ công nghệ sinh học biển cho thấy giá trị hợp tác quốc tế đầu tư thúc đẩy phát triển tri thức công nhận Sáng kiến chương trình chung EU: Phương thức hợp tác đầu tư khu vực Trong Liên minh châu Âu (EU), Sáng kiến chương trình chung (JPI) cung cấp mơ hình chia sẻ tài ngun đồng sáng tạo tri thức JPI phát triển từ việc thừa nhận “Châu Âu không cần đầu tư nhiều cho nghiên cứu, mà phải đầu tư hiệu muốn đạt tầm nhìn cơng bố phát triển cân bền vững” Mục đích JPI Oceans (www.jpi-oceans.edu) nhằm tăng giá trị đầu tư NC&PT quốc gia cho nghiên cứu đại dương khuôn khổ Liên minh châu Âu nhằm tránh phân khúc chép khơng cần thiết NC&PT, tìm kiếm phối hợp tạo điều kiện cho loại hình hợp tác khác đáp ứng mục tiêu sách thách thức tồn cầu Những lợi ích JPI Oceans bao gồm triển vọng lâu dài (10-15 năm), mức độ cam kết cao tham gia tự nguyện vào nhiều hoạt động khác JPI Oceans trọng phát triển sản phẩm sinh học để điều trị y tế; công nghệ sinh học áp dụng cho nuôi trồng thuỷ sản; nhiên liệu sinh học từ tảo biển; sàng lọc đa dạng di truyền biển; phát triển cảm biến sinh học biển để theo dõi môi trường; giảm thiểu tác động người biến đổi khí hậu đến đại dương Sáng kiến dấu hiệu cho thấy cần quan tâm đến hợp tác nghiên cứu quốc tế mục tiêu, tri thức thách thức chung ERA-NET EU (Đề án Mạng lưới nghiên cứu châu Âu) thiết kế để thúc đẩy hợp tác chương trình nghiên cứu quốc gia khu vực Các hoạt động ERA-NET liên quan đến cơng nghệ sinh học biển khn khổ Chương trình Khung lần thứ EU (FP7) nhằm mục đích hợp tác xuyên quốc gia lĩnh vực 38 Hợp tác khu vực trọng tâm Ủy ban khoa học Địa Trung Hải (CIESM), thành lập vào năm 1908, ví dụ lấy hợp tác quốc tế trọng tâm Ủy ban bao gồm 22 quốc gia thành viên, hỗ trợ hàng nghìn nhà nghiên cứu biển làm cơng việc tìm hiểu, theo dõi bảo vệ Biển Địa Trung Hải bị thay đổi với tốc nhanh chóng đầy căng thẳng CIESM có cách tiếp cận đa ngành khuyến khích trao đổi tiêu chuẩn ý tưởng khoa học trì đối thoại mang tính xây dựng xung quanh lưu vực biển Địa Trung Hải Biển Đen Do đó, khu vực hưởng lợi từ hợp tác nhà nghiên cứu người dân Trung tâm tài nguyên sinh vật biển châu Âu: Hạ tầng phân tán Trung tâm tài nguyên sinh vật biển châu Âu (EMBRC) có hợp tác 12 trạm hàng hải hàng đầu EMBL (Phịng thí nghiệm sinh học phân tử châu Âu) ứng dụng công nghệ để nghiên cứu sinh vật biển (vi khuẩn, động, thực vật) Thông qua mạng lưới hạ tầng nghiên cứu phân bố với sở nghiên cứu đào tạo tiên tiến, EMBRC cho phép cộng đồng khoa học rộng lớn, bao gồm trường đại học ngành công nghiệp truy cập thông tin sinh vật biển, sở thủy sinh tảng chuyên dụng cho hệ gen, cấu trúc chức sinh học, kính hiển vi tin sinh học Thông qua mạng lưới, EMBRC đặt mục tiêu cung cấp hỗ trợ toàn diện (bao gồm đào tạo liên ngành) để khai thác tài nguyên biển theo hướng thông minh bền vững Trung tâm nghiên cứu Biển Đỏ: Hợp tác quốc tế với trọng tâm hướng vào khu vực Trung tâm Nghiên cứu Biển Đỏ thuộc trường Đại học Khoa học Công nghệ King Abdullah (KAUST) ví dụ khác hợp tác quốc tế với trọng tâm hướng vào khu vực Trung tâm với cộng tác viên đến từ Vương quốc Anh, Hoa Kỳ, Hà Lan, Hồng Kông (Trung Quốc) bán đảo Ả Rập, nỗ lực phát triển tảng khoa học để trì bảo tồn mơi trường rạn san hô dọc bờ Biển Đỏ Ả Rập Saudi Nhóm nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận đa ngành để tìm hiểu hệ sinh thái rạn san hô bối cảnh môi trường biển, bao gồm môi trường vật lý, hóa học, sinh học địa chất sức ép từ tự nhiên người đánh bắt mức, ô nhiễm, phát triển ven biển biến đổi khí hậu tồn cầu BioMarks: Hợp tác quốc tế quy mơ trung bình Trái ngược với quan hệ hợp tác khác mô tả, BioMarks (Đa dạng sinh học sinh vật nhân thực biển) quan hệ hợp tác quốc tế tương đối nhỏ tám tổ chức nghiên cứu EU bốn quốc gia Mục tiêu hợp tác nhằm phát triển 39 "metagenetics" "metabarcoding"7 để tạo thuận lợi cho nghiên cứu đa dạng sinh học tồn cầu Nhóm nghiên cứu giải thách thức cụ thể, là: phát triển dấu sinh học (metabarcode) mô tả đa dạng phân loại, di truyền trao đổi chất môi trường tự nhiên 30 thành viên nhóm đa ngành nghiên cứu đa dạng sinh học sinh vật đơn bào ven biển thơng qua lập trình tự rDNA tích hợp vào mạng lưới phân loại siêu liệu kiểu hình mơi trường tồn diện Nếu thành công, phương pháp metabarcoding liệu metagenomic sử dụng để quan trắc sinh học cho địa điểm bị ảnh hưởng hoạt động người, phục vụ tìm hiểu hoạt động hệ sinh thái toàn cầu khắc phục thay đổi mơi trường trước Cơng trình cung cấp tảng cho việc giải trình tự gen metagenomics sinh vật nhân thực kiểm soát phân loại tương lai Khi phủ xem xét đầu tư phát triển hạ tầng nghiên cứu công nghệ sinh học biển, điều quan trọng phải tính đến học kinh nghiệm từ sáng kiến sáng kiến khác Sẽ hữu ích xem xét kết hợp sáng kiến phương thức để đạt hiệu tốt Bên cạnh đó, cần xác định phương thức nước phát triển chia sẻ hạ tầng khoa học công nghệ với kinh tế nước phát triển Nếu giải vấn đề cách ổn thỏa, hạ tầng khoa học cơng nghệ chia sẻ thay đổi cách thức tốc độ tri thức tạo sử dụng Siêu dự án công nghệ sinh học biển Trong lĩnh vực khoa học, kỹ thuật công nghệ khác, dự án quốc gia quốc tế quy mô lớn trọng tài trị để phát triển hạ tầng cần thiết Cách tiếp cận quan trọng để thành công lĩnh vực Dự án Bộ gen người (HGP) Hơn hai thập kỷ sau bắt đầu, dự án HGP thường sử dụng để minh họa lợi ích hợp tác quốc tế phát triển hạ tầng: giảm trùng lắp, chia sẻ liệu dễ hơn, hạ tầng lớn gắn kết hơn; Từ năm 1990 đến 2003, HPG thu hút đầu tư lớn (3,8 tỷ USD từ phủ Hoa Kỳ) hạ tầng cho nỗ lực xác định trình tự cặp base hóa học tạo nên ADN, xác định lập đồ khoảng từ 20.000 - 25.000 gen gen người Dự án HGP kết thúc vào năm 2003, để lại di sản hạ tầng gen tin sinh học, tiếp tục sử dụng phát triển cộng đồng nghiên cứu quốc tế khu vực công tư Bản chất bền vững di sản tương phản với số dự án "khoa học Metabarcoding is phương pháp đánh giá đa dạng sinh học cách kết hợp hai công nghệ: công nghệ xác định dựa vào ADN cơng nghệ lập trình tự ADN thơng lượng cao 40 lớn" khác có vịng đời hữu hạn dự án Super Collond Super Collider (11 tỷ USD, ước tính kéo dài 30 năm) Dự án Kính viễn vọng Không gian Hubble (1,5 tỷ USD, kéo dài khoảng 15-20 năm) Dự án HGP có thay đổi chỗ minh họa tiềm sinh học động lực kinh tế Chính phủ Hoa Kỳ đầu tư cho dự án HGP với tư cách yếu tố quan trọng để tạo sản lượng kinh tế 796 tỷ USD, mang lại lợi tức đầu tư cho kinh tế Hoa Kỳ Chỉ tính riêng năm 2010, ngành công nghiệp thúc đẩy phát triển genomics tạo 3,7 tỷ USD tiền thuế liên bang 2,3 tỷ USD thuế tiểu bang địa phương Trong vịng năm, phủ đạt mức doanh thu gần tổng đầu tư 13 năm cho dự án HGP Cũng năm 2010, dự án lập trình tự gen người nghiên cứu liên quan, hoạt động công nghiệp tạo 310.000 việc làm theo cách trực tiếp gián tiếp Một ví dụ gần Dự án 1.000 gen, nỗ lực nghiên cứu quốc tế để xây dựng danh mục chi tiết biến đổi di truyền người thông qua xếp gen 1.000 cá thể Siêu dự án quốc tế tìm cách tạo 8,2 tỷ base ngày (tương đương với hai gen/ngày), kỳ tích khơng thể có cách vài năm Trong suốt thời gian ba năm, dự án 1000 gen tạo khối lượng liệu trình tự gen lớn gấp 60 lần liệu lưu trữ sở liệu ADN cơng khai suốt ¼ kỷ qua Dự án tạo nên nguồn tài nguyên tin sinh học thống kê to lớn cho nhà nghiên cứu chắn thúc đẩy đổi việc phân tích giải thích liệu Những ví dụ cho thấy sáng kiến đầu tư quốc tế quy mô lớn tạo hạ tầng quan trọng mang lại lợi tức đầu tư hữu hình định lượng Kinh phí hỗ trợ phủ góp phần to lớn việc phát triển hạ tầng nghiên cứu công nghệ sinh học biển Thành công siêu dự án gen người mở hy vọng siêu dự án công nghệ sinh học biển thành cơng Một dự án lập trình tự gen cho cá hổ, khởi động vào năm 1989 để cung cấp thông tin cho nghiên cứu chức gen người Gần đây, loài ni trồng thủy sản có giá trị quan trọng mặt thương mại xúc tác cho hoạt động hợp tác quốc tế quy mô lớn dẫn đến việc lập đồ lập trình tự gen cá hồi cá tuyết Vi khuẩn biển trọng tâm sáng kiến quốc tế quan trọng Tuy nhiên cịn có câu hỏi giá trị tính khả thi dự án cơng nghệ sinh học biển "Những yếu tố thúc đẩy dự án này”, "Chi phí thời gian thực dự án dự báo rủi ro gì?", "Hợp tác quốc tế tổ chức sao?", “Những rào cản cho siêu dự án có lớn hay không lo ngại phức tạp môi trường biển cấu hợp tác quốc tế? ” Một số nội dung cần cân nhắc làm tăng nhu cầu tìm hiểu chất thách thức cơng 41 nghệ sinh học biển gây ảnh hưởng đến phạm vi trọng tâm siêu dự án tiềm Thách thức hiểu rõ phức tạp lớn, chưa nghiên cứu sinh vật biển hệ sinh thái biển Gần khơng thể hiểu tồn sinh vật hệ sinh thái biển Đồng thời, tập trung vào sinh vật - dự án “bộ gen người” vậy, cần phải xem xét loại hình khối lượng thơng tin cần cho dự án cơng nghệ sinh học biển Sau đó, phải xác định hạ tầng nghiên cứu cần thiết phương thức phát triển nó, ví dụ sở hạ tầng phát triển lĩnh vực khác siêu dự án khác Nhiều tổ chức có quyền hạn định việc giám sát quản lý đại dương, số đó, vài tổ chức có nguồn lực vốn lớn, số khác lại có Tuy nhiên, khơng quan thẩm quyền có khả thu hút quan tâm nguồn lực tổ chức bang tách biệt, thường cạnh tranh để thực siêu dự án Trong trường hợp khơng có quan thẩm quyền, bang bên liên quan cần phối hợp để xác định phạm vi dự án tập trung nguồn lực Các siêu dự án thành công tập trung tạo tri thức cấp độ (ví dụ lập trình tự gen người, lập đồ biến thể di truyền người) Đối với dự án biển, đa dạng sinh học - cốt lõi suất tính bền vững - tương đồng phù hợp Dự án cần cạnh tranh nguồn lực hỗ trợ tài với sáng kiến khác phủ siêu dự án quốc tế Có thể nói, nay, cơng nghệ sinh học biển lại nhiều nước OECD quan tâm tiến khoa học công nghệ thập kỷ qua Những tiến cho phép tiếp cận hiệu với sinh vật biển, đặc biệt vi sinh vật biển chứa đựng tiềm lớn công nghệ sinh học biển Thông tin chuỗi ADN liên quan đến vi sinh vật cung cấp với tốc độ nhanh khả phân tích thơng tin, mà chi phí Nhìn chung, hai thách thức định hình nhu cầu hạ tầng lĩnh vực Thách thức liên quan đến số lượng liệu sinh vật biển gây khó khăn cho việc mô tả phân loại cấu trúc chức chung Nếu khơng có thơng tin phân loại kết hợp liệu di truyền liệu kiểu hình, khó để đánh giá tiềm sinh vật khía cạnh di truyền Đối với vi khuẩn vơ hình sinh vật đa bào lớn hơn, nhu cầu hệ thống mơ hình cho phép nghiên cứu từ xuống từ lên biểu gen cấp độ cá thể, quần thể, cộng đồng hệ sinh thái Dữ liệu thu cần có sở hạ tầng để kết nối thơng tin di truyền, lồi nơi cư trú Để đạt hiệu cao nhất, cần xây dựng phân phối hạ tầng liệu thông tin toàn cầu Các sở liệu phải vĩnh viễn cung cấp cho tất người dùng quyền truy cập mở miễn phí tồn liệu Thách thức thứ hai thiếu tảng phân tích để xử lý liệu cách hiệu bắt kịp tốc độ hình thành liệu Khó khăn với phức tạp mẫu (ví dụ metagenomes) cần xử lý, làm nảy sinh nhu cầu hạ tầng điện tử (ví dụ 42 tảng quản lý liệu dịch vụ thông tin, tạo dịch vụ web phân tích hình ảnh) để phân tích hiệu sở liệu, đặc biệt sở liệu chứa nhiều loại thông tin khác Phân tích quy mơ lớn quan trọng để hiểu đa dạng sinh học hệ sinh thái biển Được kết hợp vào chiến lược dự báo theo dõi theo thời gian, phân tích liệu hữu ích cho việc dự báo phản ứng môi trường trước xáo trộn tự nhiên người gây Các nguồn lực đòi hỏi khoản đầu tư lớn hưởng lợi từ hợp tác đa quốc gia nhiều bên Dù hợp tác quốc tế giải số khía cạnh cơng nghệ sinh học biển, sáng kiến quốc tế tập trung vào thách thức Nỗ lực lĩnh vực công nghệ sinh học biển thường triển khai nhóm nhỏ quốc gia riêng lẻ Do vậy, cần có phối hợp dự án để giảm tình trạng chép dự án Tiến khoa học lĩnh vực khác giúp phổ biến thông tin công nghệ sinh học biển Đây trường hợp công nghệ lập trình tự gen hệ bắt nguồn từ việc đầu tư cho dự án Bộ gen người trường hợp tiến bắt nguồn từ dự án 1.000 gen Tuy nhiên, số tính chất độc đáo cơng nghệ sinh học biển (quy mơ, tính phức tạp tính đa dạng chưa khai thác đa số sinh vật biển) dẫn đến việc triển khai siêu dự án tập trung vào sinh vật biển Chi tiết dự án cần xác định mang lại giá trị lớn cho phủ muốn cải thiện suất tính bền vững cơng nghệ sinh học biển KẾT LUẬN Những tiến khoa học di truyền công nghệ liên quan khiến nhiều quốc gia ý đến công nghệ sinh học biển Các sinh vật biển, trước khó tiếp cận nghiên cứu nhanh chóng chi tiết chưa có Phân tích gen metagenomics sinh vật biển môi trường biển cho thấy tính phức tạp đa dạng sinh học hệ sinh thái biển Theo tất ước tính, đa dạng sinh học biển cao so với đa dạng sinh học môi trường cạn, phần lớn chưa khai thác Tuy nhiên, tài nguyên sinh vật biển nguồn to lớn cung cấp quy trình nguyên lý sinh học hóa học mới, từ phân lập, mơ hình hóa sản xuất hợp chất sinh học Công nghệ sinh học biển ngày thừa nhận nguồn đổi sáng tạo tiềm Những tiến genomics khoa học máy tính làm thay đổi quan điểm trước đại dương Đại dương không nguồn thức ăn phương tiện vận chuyển hàng hóa, mà cịn bể chứa lớn tiềm di truyền phương thức để thu nhiều lợi ích kinh tế - xã hội Việc ứng dụng công nghệ sinh học biển số lĩnh vực cho thấy giúp giải thách thức toàn cầu sức khỏe dân số, an ninh 43 lương thực nhiên liệu quy trình cơng nghiệp xanh Tiềm kinh tế công nghệ sinh học biển xem lớn gia tăng Năm 2010, thị trường công nghệ sinh học biển ước tính đạt 2,5 tỷ USD với mức tăng trưởng hàng năm dao động từ 4-12% tùy theo mơ hình sử dụng Sự phát triển cơng nghệ sinh học biển dự kiến tạo việc làm dọc theo chuỗi giá trị từ viện nghiên cứu đến ngành công nghiệp hàng hải lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm, chế biến công nghiệp dinh dưỡng Để bảo vệ môi trường biển khai thác lợi ích kinh tế xã hội từ cơng nghệ sinh học biển đòi hỏi kiến thức chuyên sâu tài nguyên sinh vật biển hệ sinh thái chúng Ngồi cần có hạ tầng NC&PT phù hợp phép tạo ra, phân tích, chia sẻ phổ biến kiến thức tài nguyên sinh vật biển Công nghệ sinh học biển hưởng lợi đáng kể từ đầu tư NC&PT khoa học sống trước đây, đặc biệt cho gen người Việc lập trình tự gen khơng cịn rào cản cách thập kỷ nhận thức tài nguyên sinh vật biển nâng lên đáng kể Phân tích metagenomics cung cấp phương tiện để tiếp cận nghiên cứu phức tạp mơi trường biển cho thấy thiếu hụt việc NC&PT công nghệ sinh học biển, nhận thức hạn chế tài nguyên sinh vật biển Việc tiếp cận tài nguyên sinh vật biển đặc biệt nằm sâu đại dương thách thức Tính phức tạp lạ tài nguyên sinh vật biển làm cho việc thích liệu trở nên khó khăn Do đó, cần có sở hạ tầng với mơ hình mới, hệ thống ni cấy cơng cụ dựa vào tin sinh học để hình dung phân tích gen loại liệu khác Chính phủ tổ chức tư nhân tồn giới nên tập trung vào mơi trường biển nỗ lực khai thác tiềm biển cách sử dụng phương pháp tri thức công nghệ sinh học biển Tuy nhiên, số đặc trưng tài nguyên sinh vật biển cần có nghiên cứu sách để đảm bảo đưa tiến khoa học công nghệ vào sản phẩm khả thi thương mại theo cách bền vững môi trường Thực hiện: ThS Nguyễn Phương Dung 44 Tài liệu tham khảo OECD 2013, Marine Biotechnology: ENABLING SOLUTIONS FOR OCEAN PRODUCTIVITY AND SUSTAINABILITY, Andre, R., N Tahir, F Natalio and W Tremel (2012), Translating the genetically controlled mechanism of biosilification to the bioinspired synthesis of multifunctiona Christensen, L and R Sims (2011), Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts, Biotechnology Advances 29:686-702 Anonymous (2005), Prospects for Marine Biotechnology in the UK, Vol European Commission (2012), Innovating for Sustainable Growth: A Bioeconomy for Europe http://ec.europa.eu/research/bioeconomy/pdf/201202_innovating_sustain able_growth_en.pdf, accessed August 2012 Full title: Joint Programming Initiative, Healthy and Productive Seas and Oceans 45 ... nghệ sinh học y tế) , phát triển vật liệu (công nghệ sinh học công nghiệp) phát triển công nghệ xử lý sinh học (công nghệ sinh học môi trường), tồn song song với lĩnh vực công nghệ sinh học biển. .. NĂNG KINH TẾ CỦA CÔNG NGHỆ SINH HỌC BIỂN Công nghệ sinh học biển lần lại quan tâm song hành với đời phát triển khái niệm “nền kinh tế sinh học? ??, khu vực kinh tế dựa vào đổi khoa học sinh học công. .. loại thuốc (công nghệ sinh học y tế) , vật liệu (công nghệ sinh học công nghiệp) công nghệ xử lý sinh học (công nghệ sinh học mơi trường) khu vực có tiềm ứng dụng cơng nghệ sinh học biển Từ đó,