Sự ảo vọng, hy vọng và con đường phía trước cho Công nghệ sinh học vi tảo

Sự cần thiết duy trì an ninh lương thực bền vững đã tạo động lực để phát triển lĩnh vực công nghệ sinh học vi tảo. Vi tảo là những vi sinh vật có thể phát triển bằng cách sử dụng ánh sáng (mặt trời), muối khoáng, đường, CO₂ và nước (biển). Vi tảo có tiềm năng cao để làm nguyên liệu cho thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, năng lượng và hóa chất. Vi tảo có tốc độ phát triển nhanh hơn và có năng suất sinh khối trên diện tích cao hơn cây trồng, về cơ bản không cạnh tranh đất nông nghiệp và hiệu quả hấp thụ phân bón lên tới 100%. So với sản xuất protein đơn bào (SCP/Single cell protein) của vi khuẩn, nấm và nấm men, vi tảo cho hiệu quả sử dụng đất nông nghiệp cao hơn, qua đó cho thấy tiềm năng của vi tảo có thể thay thế protein đậu nành, dầu cá và dầu cọ và được sử dụng làm nhà máy sản xuất tế bào (cell factory) trong công nghệ sinh học công nghiệp hiện đại để sản xuất thức ăn theo mong muốn, protein tái tổ hợp, dược phẩm sinh học và vắc-xin.

1. Điểm nổi bật

§ Vi tảo có thể đóng góp vào an ninh lương thực thông qua việc sản xuất protein và lipid hiệu quả khi dân số tăng và thách thức về môi trường.

§ Nông nghiệp tế bào (cellular agriculture) đang phát triển với các quá trình xử lý sinh học mới nổi dựa trên năng lượng mặt trời, quang điện, nguồn H₂, carbon C1 (CO, CO₂, CH₄) và đường làm nguồn dinh dưỡng cho sinh trưởng.

§ Vi tảo có thể phù hợp với các chế độ dinh dưỡng khác nhau bao gồm: tự dưỡng, dị dưỡng và hỗn hợp. Sản lượng vi tảo đã tăng gấp ba lần trong 5 năm qua.

2. Sự kỳ vọng và hy vọng

Trong suốt 70 năm qua, vi tảo đã nhiều lần thu hút sự chú ý như là một ứng cử viên triển vọng cho phát triển công nghiệp thực phẩm và nhiên liệu sinh học do năng suất sinh khối cao vượt trội so với cây trồng nông nghiệp trên cùng đơn vị diện tích (Hình 1). Khả năng phát triển trong nước biển và không đòi hỏi về độ màu mỡ của đất nông nghiệp. Ngay từ thế chiến II ở Đức, vi tảo đã được kỳ vọng thành một đối tượng làm thực phẩm cho con người ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, làn sóng phát triển vi tảo ở quy mô sản xuất công nghiệp đầu tiên này đã bị dừng lại bởi “cuộc cách mạng xanh”, dẫn đến việc sản xuất tảo làm lương thực chính không còn được quan tâm. Vào những năm 1970, hai ứng dụng mới của vi tảo đã được đánh giá ưu việt là (i) lọc nước thải và (ii) nuôi trồng thuỷ sản bằng tảo. Các khu nuôi tảo đã được phát triển để làm sạch nước thải ở Hoa Kỳ và áp dụng rộng rãi ở nhiều khu vực trên thế giới.

Thị trường sinh khối vi tảo khô (chủ yếu là tảo Spirulina và Chlorella) và carotenoid (β-carotene và astaxanthin) làm thực phẩm cho sức khỏe con người và thức ăn nuôi trồng thủy sản được phát triển vào những năm 1990. Trong những ngày giá dầu mỏ tăng cao đặt đỉnh điểm vào những năm 1990, và gần đây vào năm 2005–2010, khi giá dầu thô tăng, nhiên liệu sinh học là động lực chính dẫn đến vi tảo lại được quan tâm. Tuy nhiên, tương tự như mục tiêu tạo ra thực phẩm chính cho dân số thế giới sau Chiến tranh thế giới thứ hai, mục tiêu tạo ra nhiên liệu sinh học lại mất đi sau khi giá dầu giảm. Tuy nhiên, những mục tiêu và giá trị của vi tảo khi sản xuất ở quy mô lớn vẫn rất quan trọng để dẫn đến sự phát triển các công nghệ sản xuất sinh khối vi tảo.

Nhu cầu hiện tại về nguồn protein và nguyên liệu thực phẩm bền vững đã thu hút nhiều công ty sản xuất vi tảo. Trong 3–4 năm gần đây, nhiều dự án R&D về vi tảo và thị trường liên quan đang phát triển nhanh chóng để thay thế thịt và protein đậu nành. Cộng đồng khoa học và công nghiệp trên toàn thế giới nghiên cứu về các ứng dụng vi tảo đã tăng lên rất nhiều trong thập kỷ qua, kéo theo sự phát triển công nghệ và mở rộng quy mô các cơ sở sản xuất, mở ra các ứng dụng mới.

Hình 1. Hiệu quả sản xuất sinh khối và các hợp chất từ vi tảo (trái); Các hình thức sống của vi tảo (giữa) và các công nghệ sản xuất vi tảo (phải)

Trong 10 năm qua, thị trường thức ăn bổ sung vi tảo và nuôi trồng thủy sản đã tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, xét đến mối quan tâm lớn của công chúng đối với vi tảo thì tổng thị trường vi tảo vẫn còn nhỏ. Hiện tại, thị trường vi tảo toàn cầu có khoảng 75.000 tấn sinh khối, trong khi sản lượng đậu tương là 353 triệu tấn vào năm 2020. Việc giảm chi phí sản xuất  sẽ mở rộng quy mô nuôi vi tảo, khi đó sẽ tăng khả năng cạnh tranh hơn.

3. Sản xuất với ở quy mô lớn

Với mục tiêu sản xuất quy mô lớn và tuần hoàn, 3 lĩnh vực đã phát triển nhanh chóng của vi tảo bao gồm sản xuất (i) protein đơn bào (SCP), (i) axit béo, dầu và (iii) các chất dinh dưỡng.

Đối với sản xuất protein đơn bào

Sinh khối vi sinh vật từ nuôi cấy sẽ tạo ra thực phẩm giàu protein hoặc chất bổ sung thức ăn, hay còn gọi là 'protein đơn bào' hoặc SCP. Sự hình thành protein diễn ra tỉ lệ với tốc độ tăng trưởng sinh khối, điều này rất phù hợp với vi tảo. Hàm lượng protein của vi tảo có thể đạt tới 70% trọng lượng khô, có khả năng cho sản xuất từ 22 đến 44 tấn protein/ha/năm.

Các chế độ nuôi trồng và dinh dưỡng của vi tảo

Vi tảo có thể tổng hợp SCP bằng 3 chế độ quang dưỡng, hỗn hợp (tự dưỡng và dị dưỡng) và dị dưỡng. Sự tồn tại cả hai chế độ dinh dưỡng trong cùng một chủng có thể làm tăng năng suất sinh khối. SCP có thể được lấy từ vi tảo, nấm, men hoặc vi khuẩn được nuôi cấy bằng các nguyên liệu khác nhau như củ cải đường hoặc mía, metan và metanol hoặc năng lượng mặt trời. Hình 1 minh hoạ các chế độ dinh dưỡng dựa vào (A) ánh sáng mặt trời (Công ty Necton, Bồ Đào Nha), (B) ánh sáng nhân tạo tại công ty Proviron, Bỉ, và (C) sự kết hợp giữa mặt trời và ánh sáng nhân tạo trong nhà kính tại AlgaePARC, Hà Lan.

Vi tảo được coi là hệ đa chức năng

Tùy thuộc vào ứng dụng mong muốn, có thể biến đổi gen vi tảo để tăng tích lũy lipid hoặc protein hoặc cả hai. Các chủng sản xuất lipid cao có thể dùng để sản xuất dầu cho thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và các mục đích hóa dầu. Để làm thức ăn chăn nuôi, các tế bào có thể được thiết kế để tạo ra đủ lipid với cấu hình axit béo mong muốn, trong số đó có các enzyme như phytase và peptide kháng khuẩn. Để phát triển vắc-xin uống dựa trên vi tảo, các tế bào có thể được điều khiển để tạo ra kháng nguyên của mầm bệnh, cùng với các chất bổ trợ để cải thiện khả năng sinh miễn dịch. Protein tái tổ hợp từ vi tảo có thể phù hợp với lĩnh vực dược phẩm hoặc là enzyme được sản xuất bền vững cho mục đích công nghiệp.

Hình 2. Các ứng dụng đa chức năng của của vi tảo

Về mặt tính toán và thực tiễn cho thấy, hiệu quả sử dụng đất của vi tảo quang dưỡng là cao nhất trên cơ sở lượng sinh khối tạo ra lớn nhất. Riêng đối với SCP, các chủng vi tảo mới chẳng hạn như Picochlorum spp, chịu được nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng cao, có tốc độ tăng trưởng cao với thời gian nhân đôi ngắn hơn 2 giờ, có hàm lượng protein từ 40%–55% trọng lượng khô.

Dinh dưỡng và thu hồi chất dinh dưỡng trong phân bón

Khi so sánh với các đối tượng cây trồng nông nghiệp, 50% chất dinh dưỡng trong phân bón sẽ tồn tại trên bề mặt và nước ngầm, gây ô nhiễm và phú dưỡng, trong khi đó nuôi vi tảo trong các hệ thống quang sinh (PBR/Photobioreactor) hiệu quả sử dụng các nguồn dinh dưỡng (phân bón) lên tới 100%.

Thu hồi dinh dưỡng N và P sơ cấp từ nước biển, nước mặt và nước thải là một trong những thách thức toàn cầu để ngăn chặn tình trạng thiếu phân bón trong tương lai. Vi tảo được coi là một nền tảng hiệu quả thu hồi chất dinh dưỡng. Mặc dù nhiều tác giả đề xuất kết hợp xử lý vi tảo đối với các chất thải giàu chất dinh dưỡng vô cơ để sản xuất thực phẩm và nguyên liệu thức ăn chăn nuôi, nhưng khả năng ứng dụng của khái niệm này vẫn còn nhiều vấn đề liên quan chủ yếu đến an toàn dinh dưỡng và vệ sinh an toàn thực phẩm.

Sản xuất lipid

Khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời và CO₂ thành các hợp chất lipid có giá trị của vi tảo đã thu hút sự quan tâm từ các ngành công nghiệp mỹ phẩm, nhiên liệu sinh học, thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Các chất béo được quan tâm nhiều nhất là triacylglycerol (TAG), là chất thay thế cho dầu cọ và axit béo không bão hòa đa chuỗi dài omega-3 (n3 LC-PUFA) như axit eicosapentaenoic (EPA) và axit docosahexaenoic (DHA), là một chất thay thế cho dầu cá và là axit béo thiết yếu cho cả nuôi trồng thủy sản và dinh dưỡng của con người. Ở vi tảo, n3 LC-PUFA được tạo ra trong quá trình tăng trưởng và tích lũy trong tế bào, chủ yếu ở màng plastid, ở mức 2%–5% trọng lượng khô , trong khi TAG tích lũy trong cơ thể lipid do thiếu chất dinh dưỡng, dẫn đến ngừng tăng trưởng với hàm lượng lipid lên đến 60% trọng lượng khô.

Thách thức đối với n3 LC-PUFA là tăng hàm lượng tế bào, trong khi đối với TAG, thách thức là tăng tốc độ tăng trưởng trong quá trình tích lũy TAG.

Axit béo không bão hòa đa chuỗi dài Omega-3

Vi tảo là đối tượng sản xuất EPA và DHA chính, sau đó được tiêu thụ và tích lũy thông qua chuỗi thức ăn để cung cấp hàm lượng EPA và DHA cao trong dầu cá biển. Thật kỳ lạ là hiện nay dầu cá vẫn là nguồn cung cấp EPA và DHA chính trong chế độ ăn uống của con người. Hiện tại có sự thiếu hụt về EPA và DHA ở quy mô toàn cầu, mặc dù vi tảo biển quang hợp sản xuất n3 LC-PUFA chủ yếu, nhưng các axit béo này có mặt trong tế bào ở nồng độ rất thấp 5% EPA và thậm chí ít DHA hơn. Nhiều chủng có cả EPA và DHA, do đó có thể điều chỉnh tỉ lệ này bằng phương thức nuôi dị dưỡng, chẳng hạn Thraustochytrid schizochytrium, với hàm lượng DHA  lên tới 20% (trọng lượng khô).

Axit béo trung tính

Triglyceride (TAG) được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ dầu diesel sinh học đến mỹ phẩm, chăm sóc cá nhân và làm nguyên liệu thực phẩm. Nguồn TAG lớn nhất hiện nay là dầu cọ điều này dẫn đến phá rừng để trồng cọ. Mặc dù vi tảo có năng suất lipid thực tế cao hơn nhiều so với dầu cọ, tuy nhiên sử dụng phương thức quang tự dưỡng để sản xuất TAG ở vi tảo trong thực tế thấp hơn so với lý thuyết. Tuy nhiên chi phí để thiết kế hệ thống và vận hành rất tốn kém nên chưa thực sự mang tính thực tiễn. Cần thiết phải cải tiến chủng giống để điều khiển chủ quá trình trao đổi chất trong quá trình tích lũy lipid cũng như kiểu gen và kiểu hình.

Nhà máy sinh học

Mặc dù sản xuất vi tảo ở quy mô công nghiệp đang mở rộng trên toàn cầu, nhưng sự đa dạng của các sản phẩm vi tảo vẫn chỉ giới hạn ở các hợp chất được sản xuất tự nhiên bởi các chủng loại hoang dại, chẳng hạn như sinh khối giàu axit béo omega-3, vitamin và sắc tố. Cần thiết phải có những cải tiến về mặt di truyền các chủng có liên quan để tiến tới sản xuất ở quy mô công nghiệp. Các ứng dụng của vi tảo có thể làm thức ăn theo ý muốn (thiết kế), vắc-xin uống hoặc sản xuất protein dược phẩm.

Công cụ kỹ thuật trao đổi chất

Nannochloropsis spp. là một đối tượng có thể triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp kiểu mẫu đại diện cho vi tảo. Đây là một loài sinh vật biển phát triển nhanh đã được sản xuất ở quy mô thương mại, có tiềm năng là nguồn cung cấp protein hoặc lipid. Tuỳ thuốc vào điều kiện nuôi, Nannochloropsis spp tạo ra axit béo omega-3 bao gồm axit eicosapentaenoic (EPA) và có thể tích lũy tới tới 60% TAG. Nhiều nghiên cứu đã giúp mở khóa tiềm năng công nghệ sinh học của loài vi tảo này khi làm sáng tỏ mạng lưới trao đổi chất phức tạp của nó và đặc biệt có thể cải biến di truyền. Hiện nay, các ứng dụng thương mại của Nannochloropsis chỉ giới hạn ở thức ăn nuôi trồng thủy sản và sản xuất dược phẩm dinh dưỡng. Tuy nhiên, Nannochloropsis có tiềm năng trở thành một loài vi tảo kiểu mẫu phù hợp để sản xuất các chế phẩm sinh học.

Bất chấp những tiến bộ gần đây, sự hiểu biết của chúng ta về sự trao đổi chất của các chủng sản xuất công nghiệp vẫn còn hạn chế. Đến nay, phần lớn các gen với các trình tự tương đồng chưa đủ nhiều để dự đoán chức năng, và khó xác định được chức năng trao đổi chất của chúng. Sự hiểu biết chưa đầy đủ về quá trình vận chuyển protein bên trong tế bào chất, sự ngăn cách các nhóm chất chuyển hóa và lưu chuyển các chất chuyển hóa giữa các bào quan càng làm phức tạp thêm khi xây dựng mô hình trao đổi chất toàn diện. Những vấn đề này khi giải quyết được thì mới có thể can thiệp vào quá trình trao đổi chất để định hướng trong các kỹ thuật di truyền. Trong trường hợp không có các mô hình trao đổi chất rõ ràng, việc áp dụng kỹ thuật di truyền sẽ bị hạn chế do chỉ dựa vào mô phỏng, phỏng đoán dựa vào kiến thức thu được từ các sinh vật tương tự khác.

Một chiến lược khác để hiểu rõ hơn về quá trình trao đổi chất của vi tảo là sửa đổi các chức năng của mạng trao đổi chất và định lượng các sản phẩm được tạo ra. Các công cụ di truyền  và công nghệ omics đã đẩy nhanh tốc độ của các nghiên cứu này, qua đó tạo ra cơ sở dữ liệu transcriptomes tăng nhanh chóng tương ứng với các kích thích khác nhau. Một điều kiện thiết yếu cho kỹ thuật cái biến di truyền trao đổi chất là công cụ thao tác phân tử như chỉnh sửa bộ gen. Việc chỉnh sửa gen CRISPR-Cas ở các loài vi tảo khó khăn và tốn nhiều thời gian nhưng vẫn là hướng hứa hẹn.

Vắc xin và dược phẩm sinh học

Việc khám phá ra vaccine là một trong những bước đột phá quan trọng nhất về công nghệ sinh học. Vaccine tiểu đơn vị bao gồm một phần protein của mầm bệnh sẽ thay thế cho vaccine ở dạng nhược độc hoặc bất hoạt. Sự quan tâm ngày càng tăng về vaccine, đặc biệt là vaccine qua đường uống do có nhiều ưu điểm về lợi ích kinh tế xã hội, giảm nguy cơ lây truyền bệnh qua đường máu và tăng sự tuân thủ điều trị của bệnh nhân.

Một thách thức đối với vaccine tiểu đơn vị đường uống là tìm các hệ thống vận chuyển kháng nguyên có thể chịu được độ pH thấp và protease của đường tiêu hóa trong quá trình đến mô bạch huyết liên quan đến ruột. Các hệ thống vận chuyển kháng nguyên hiện tại bao gồm vi khuẩn biểu hiện kháng nguyên nhược độc và vách tế bào nấm men chứa kháng nguyên tái tổ hợp và tá dược. So với việc sản xuất kháng nguyên ở thực vật bị hạn chế bởi hàm lượng thấp, thường là dưới 1% tổng lượng protein hòa tan khó đáp ứng miễn dịch qua đường uống. Ngược lại, vi tảo có thể được nuôi trong các hệ thống khép kín, vi tảo cũng có thành tế bào cứng tương tự như thực vật, giúp bảo vệ khỏi các điều kiện khắc nghiệt của dạ dày. Sự biểu hiện gen chuyển dựa trên lục lạp trong mô hình vi tảo Chlamydomonas reinhardtii có thể cho hàm lượng protein trên 5% tổng lượng protein hòa tan, cao hơn đáng kể so với các hệ thống dựa trên thực vật điển hình. Cho đến nay, các nghiên cứu đã điều tra khả năng sinh miễn dịch của vắc-xin uống vi tảo trên cá và tôm, với kết quả đầy hứa hẹn. Hơn nữa, cũng phù hợp cho chăn nuôi động vật trên cạn và y học cho con người. Vaccine vi tảo theo đường uống có thể được sản xuất với giá rẻ, chúng có thể được sử dụng mà không cần phải nuôi cấy, dễ dàng đông khô, có thể bảo vệ lượng kháng nguyên không bị phân hủy trong hơn 1,5 năm ở nhiệt độ phòng. Theo đó, vi tảo là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các loại vaccine đường uống truyền thống, đặc biệt là ở các khu vực kém phát triển hoặc đòi hỏi hệ thống phân phối giữ lạnh khi vận chuyển.

Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu về vaccine qua đường uống ở vi tảo đều tập trung vào C. reinhardtii. Tuy nhiên, hệ thống biểu hiện gen mới được phát triển ở Nannochloropsis oceanica, Spirulina đã cho thấy một tiềm năng to lớn chưa được khai thác để sản xuất protein tái tổ hợp ở các chủng ở quy mô công nghiệp, khiến những vi tảo này trở thành những ứng cử viên để sản xuất vaccine tiểu đơn vị qua đường uống. Các phương pháp kỹ thuật di truyền linh hoạt được phát triển cho Spirulina, vi khuẩn lam được sản xuất và tiêu thụ nhiều nhất trên toàn thế giới, cho phép biểu hiện ổn định, ở mức độ cao các protein điều trị (15% tổng sinh khối), bao gồm các peptide hoạt tính sinh học, kháng thể chuỗi đơn, enzyme, protein tín hiệu và kháng nguyên vaccine. Các nhà nghiên cứu cho thấy việc cung cấp kháng thể biểu hiện bằng tảo Spirulina hướng vào vi khuẩn Campylobacter gây tử vong ở trẻ sơ sinh ở các nước đang phát triển đã thành công ngăn ngừa bệnh ở chuột và thử nghiệm lâm sàng giai đoạn 1, cho thấy an toàn khi sử dụng cho người.

Dược phẩm sinh học

Sinh học protein là phương pháp trị liệu không thể thiếu cần thiết cho chẩn đoán, điều trị và phòng ngừa các bệnh bao gồm ung thư và các bệnh truyền nhiễm. Hiện tại, chúng được sản xuất chủ yếu bằng cách sử dụng tế bào động vật có vú hoặc côn trùng. Việc lựa chọn hệ thống sản xuất phụ thuộc chủ yếu vào độ phức tạp của sản phẩm, nhưng mỗi hệ thống đều có những ưu và nhược điểm riêng. Các chất tương tự sinh học đơn giản như insulin có thể được sản xuất trong các hệ thống sinh vật nhân sơ, nhưng hầu hết các chất sinh học protein đều yêu cầu một bộ máy cải biến sau dịch mã chuyên dụng bao gồm cả gấp nếp protein (protein folding) điều này vốn chỉ có thể thực hiện được trong các hệ thống dịch mã của sinh vật nhân chuẩn. Những nhược điểm khác của hệ thống prokaryote bao gồm sự hiện diện của protease và nội độc tố. Các hệ thống nuôi cấy tế bào động vật có vú cung cấp các sản phẩm chất lượng cao, nhưng chúng khó mở rộng quy mô và tốn kém thời gian do chi phí về nuôi cấy và môi trường phức tạp, tốc độ tăng trưởng chậm và hiệu giá sản phẩm thấp. Hơn nữa, thao tác di truyền của các tế bào động vật có vú khó khăn. Chính vì vậy cần phải tìm kiếm các hệ thống sản xuất dễ dàng và phù hợp hơn. Mặc dù các tế bào côn trùng đáp ứng yêu cầu này, nhưng chi phí sản xuất cao với các hệ thống tế bào động vật có vú và chúng tạo ra các dảng cải biến N-glycosyl hóa không giống với động vật có vú mặc dù đây là tiêu chí chất lượng quan trọng đối với hầu hết các sản phẩm. Các hệ thống sản xuất sinh vật nhân chuẩn hiệu quả hơn về chi phí bao gồm nấm men và nấm sợi, nhưng những hệ thống này bị hạn chế về chất lượng sản phẩm đối với các protein phức tạp do quá trình gấp nếp và N-glycosyl hóa quá mức đường manno (hypermannosidic N-glycosylation), điều này không phù hợp cho điều trị ở người. Thực vật chuyển gen có một số lợi thế so với các hệ thống sản xuất khác, bao gồm nuôi cấy đơn giản, rẻ tiền có khả năng nhân rộng và khả năng tạo ra các protein gấp nếp chính xác với kiểu N-glycosyl hóa phức tạp tương tự như kiểu của tế bào động vật có vú (mặc dù vẫn có sự khác biệt). Điều quan trọng là các chế phẩm sinh học có nguồn gốc từ thực vật không có nguy cơ nhiễm virus cho người so với việc các chế phẩm biểu hiện từ tế bào động vật.

Bảng 1. So sánh ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống sản xuất protein tái tổ hợp cho điều trị ở người

Vi tảo chia sẻ nhiều lợi ích của thực vật chuyển gen để sản xuất các chất sinh học, bao gồm hiệu quả sử dụng tài nguyên cao, dễ dàng mở rộng quy mô, gấp nếp protein phức tạp và tiềm năng tạo ra N-glycosyl hóa giống như thực vật, và chúng còn có nhiều lợi thế hơn nữa. Chúng bao gồm ngăn chặn sinh học đơn giản, tốc độ tăng trưởng cao hơn, khả năng tiết ra protein và thao tác kỹ thuật di truyền nhanh chóng. Do đó, vi tảo đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng với vai trò là nhà máy sản xuất tế bào tiềm năng (potenial cell factory) để sản xuất giải pháp điều trị dựa vào protein. Mặc dù các sản phẩm sinh học protein có nguồn gốc từ vi tảo chưa được sản xuất ở quy mô công nghiệp, nhưng chúng đã được nghiên cứu chuyên sâu. Một số phương pháp điều trị bằng protein đã được thể hiện trong vi tảo, bao gồm kháng thể đơn dòng, hormone tăng trưởng, cytokine và độc tố tế bào. Để cho phép sản xuất glycoprotein chất lượng cao, các mẫu N-glycosyl hóa của protein vi tảo cần được xác định đặc điểm và điều chỉnh bằng kỹ thuật glycoengineering, để phản ánh quá trình N-glycosyl hóa so với quá trình tạo ra từ các tế bào động vật có vú. Ngoài kỹ thuật glycoengineering, việc sản xuất các chất sinh học từ vi tảo sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự sẵn có của các peptide tín hiệu cho phép tiết ra protein tái tổ hợp một cách hiệu quả, bởi vì điều này sẽ giảm chi phí xử lý tiếp theo. Việc sản xuất các protein phức tạp dựa vào các biến đổi sau dịch mã ở vi tảo sẽ là một thành tựu quan trọng khi so sánh với hệ thống của tế bào động vật có vú.

4. Kết luận và triển vọng trong tương lai

Sản xuất thương mại các sản phẩm số lượng lớn như SCP và lipid từ vi tảo hiện nay bị hạn chế do quy mô chưa đủ lướn. Tuy nhiên, nhu cầu và tiềm năng của vi tảo rất rõ ràng và chiếm nhiều ưu thế do sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời hiệu quả hơn so với các đối tượng khác phải dùng các nguồn dinh dưỡng đặt tiền khác.

Việc sản xuất các sản phẩm số lượng lớn dựa vào CO₂ hoặc đường từ các chất thải công nghiệp nông nghiệp sẽ hấp thụ tốt N và P dư thừa hiệu quả nhờ đó giúp giảm thiểu ô nhiễm.

Nhờ vào công cụ cải biến di truyền sẽ giúp mở rộng quy mô sản xuất ở công nghiệp nhằm sản xuất các chế phẩm sinh học từ vi tảo làm thức ăn và thực phẩm theo ý muốn bao gồm vắc-xin uống và protein dược phẩm. Mặc dù vậy, kỹ thuật cải biến di truyền trao đổi chất cần các công cụ phân tử hoàn chỉnh hơn từ điều hoà các yếu tố khởi động phiên mã (TFs) và các yếu tố tham gia điều hoà biểu hiện gen. Ngoài ra, các công nghệ cần trung gian là virus cũng có thể áp dụng vào vi tảo để chuyển hoá tạo ra sản phẩm mong muốn. Song song với điều này, cần có sự hiểu biết nhiều lĩnh vực như hệ thống tiết protein tái tổ hợp ra ngoài môi trường (ngoại bào) và khả năng sinh miễn dịch của vaccine qua đường uống sản xuất từ vi tảo và mô hình glycosyl hóa protein từ vi tảo.

Mặc dù sự kỳ vọng quá mức, thậm chí hơi ảo vọng về tiềm năng của vi tảo cần phải được hoàn thiện và dần trở thành hiện thực khi có sự phát triển của công nghệ, khi đó những hy vọng sẽ dần đang trở thành hiện thực. Đồng thời, lĩnh vực công nghệ sinh học vi tảo sẽ mở ra những cơ hội để tiến về phía trước.

Hình 3. Các lĩnh vực tiềm năng của công nghệ sinh học vi tảo

Câu hỏi nổi bật

§ Cần điều gì để có thể mở rộng sản xuất vi tảo lên quy mô hàng trăm ha?

§ Làm thế nào vi tảo có thể được sử dụng là một công nghệ cố định CO₂?

§ Làm thế nào có thể sử dụng các sản phẩm phụ của nông nghiệp để sản xuất vi tảo?

§ Làm thế nào N và P từ nước bề mặt, nước biển và dòng chất thải có thể được sử dụng để phát triển vi tảo cho các ứng dụng thực phẩm?

§ Làm thế nào để ứng dụng kỹ thuật di truyền một cách hiệu quả để biến đổi và biến nền tảng quang hợp của vi tảo trở lên hiệu quả hơn, cạnh tranh hơn?

§ Làm thế nào protein có thể được tiết từ vi tảo trong hệ thống nuôi cây liên tục mà không phải thu sinh khối và phá vỡ tế bào?

§ Làm thế nào vi tảo có thể được sử dụng làm hệ thống biểu hiện protein cho dược phẩm sinh học?

§ Làm thế nào để các sản phẩm protein tảo có màu trắng (không phải lẫn với màu xanh của sinh khối)?

§ Tiềm năng của việc sử dụng vi tảo và vi khuẩn lam cố định đạm là gì?

§ Có phải vi tảo là một hệ thống biểu hiện hiệu quả cho protein virus để sản xuất vaccine?

(Nguồn: Maria J. Barbosa et al., 2023. Hypes, hopes, and the way forward for microalgal biotechnology. Trends in Biotechnology, March 2023, Vol. 41, No. 3.)