1
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học và công nghệ (KH&CN) thế giới đã và đang phát triển theo quy luật, đi từ
sự thống nhất đến chuyên môn hóa, sau đó lại trở về sự thống nhất với trình độ cao
hơn, theo chu kỳ xoắn ốc, trong đó các lĩnh vực khoa học liên ngành, đa ngành như
công nghệ sinh học (CNSH), công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT&TT), công
nghệ nano (CNNN) đang hứa hẹn mang lại những thành tựu to lớn phục vụ trực tiếp
đời sống của nhân loại.
Cách đây hơn một thập kỷ, Đảng và Nhà nước ta, với tầm nhìn chiến lược đã định
hướng ưu tiên phát triển các lĩnh vực: CNTT, CNSH, công nghệ thự động hoá, công
nghệ vật liệu mới …. Để cụ thể hoá các Nghị quyết của Đảng, với sự chỉ đạo đúng đắn
của Chính phủ, Bộ Khoa học và Công nghệ đã có nhiều nỗ lực trong việc đổi mới cơ
chế, chính sách, hoàn thiện hệ thống pháp luật về KH&CN, đồng thời đã có sự định
hướng đầu tư đúng đắn vào các ngành công nghệ nói trên nên bước đầu đã đạt được
những kết quả đáng khích lệ trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế…góp
phần phát triển kinh tế-xã hội và hội nhập kinh tế quốc tế của đất nước.
Việc tiếp tục nghiên cứu các xu hướng phát triển các ngành KH&CN chủ đạo nói
trên để nắm bắt được những thành tựu xuất hiện của các ngành đó nhằm ứng dụng vào
điều kiện thực tiễn của nước ta là một vấn đề được giới nghiên cứu rất quan tâm, mặt
khác nhằm cung cấp thông tin tham khảo cho các chuyên gia nghiên cứu xây dựng
Chiến lược phát triển KH&CN đến năm 2020, Chương trình đổi mới công nghệ quốc
gia, Chương trình ứng dụng và phát triển công nghệ cao là rất cần thiết. Với tình thần
đó, Trung tâm Thông tin KH&CN Quốc gia xuất bản Tổng luận ”CUỘC CÁCH
MẠNG CÔNG NGHỆ TOÀN CẦU 2020”, bao hàm dự báo xu hướng phát triển tới
năm 2020 các ngành khoa học và công nghệ trọng điểm nói trên.
Xin trân trọng giới thiệu.
TRUNG TÂM THÔNG TIN
KH&CN QUỐC GIA
trùng lắp hay tính chính xác, mà cả khả năng lưu trữ và truy cập trong một khoảng thời gian
đủ ngắn. Về bộ nhớ, các cấu trúc nano đang chứng tỏ những triển vọng khả quan. Bộ nhớ
hữu cơ cũng được hoàn thiện về dung lượng nhớ, đồng thời dễ sản xuất, giúp hạ giá thành.
3. Công nghệ cơ sở dữ liệu
Với triển vọng phát triển của CNTT, công nghệ cơ sở dữ liệu (CSDL) đang trở nên quan
trọng hơn nhiều so với thời gian trước đây. Các nhà nghiên cứu CNTT cần phải hoàn thiện
tiếp công nghệ này để ứng phó với những thay đổi có thể xảy ra về bản chất và khối lượng
thông tin.
Như đã đề cập ở trên, do dữ liệu được sản sinh và truyền tải ngày càng nhiều hơn, nên sẽ
phải cần đến các CSDL và công nghệ để phân loại, lưu trữ, tách rút và phân tích thông tin.
3
Các CSDL này sẽ phải được cập nhật thường xuyên và cần có thêm thông tin về bối cảnh
để mô tả bản chất của dữ liệu. Công nghệ CSDL hiện tại thường chú trọng nhiều đến các
CSDL phân tán, nhưng chúng ta có thể phải tiến tới có được các CSDL lớn, tập trung để có
được các thông tin khi cần thiết. Cái chúng ta có thể sẽ có được vào năm 2020 là một CSDL
để tìm kiếm thông tin mau lẹ (Agile Database), trong đó những kho dữ liệu lớn có thể dễ
dàng phân ra thành các bộ phận hoặc cấu trúc lại để tách rút được những thông tin thật cần
thiết cho những tình huống cụ thể.
4. Xu hướng tiến tới các thiết bị và nguồn điện ngày càng nhỏ, cơ động
Các thiết bị điện tử sẽ ngày càng có kích thước nhỏ, nhẹ, thường được kết nối bằng công
nghệ không dây và cơ động. Vì xu hướng này vẫn tiếp diễn, nên sẽ ngày càng có nhu cầu
đối với các nguồn năng lượng thay thế, có kích thước nhỏ, nhẹ, cơ động và thời gian cấp
điện dài. Hoạt động nghiên cứu về các nguồn điện thay thế, có khả năng tái sinh sẽ ảnh
hưởng đến sự phát triển tiếp theo của các thiết bị điện tử nhỏ, di động.
Song song với xu hướng này, các máy tính có tính năng cao sẽ được đưa vào các cụm
máy nhỏ hơn và rẻ hơn. Các máy này có khả năng thay đổi cấu hình để đáp ứng nhu cầu
tính toán theo những tình huống đặt ra. Chúng ta sẽ có được CNTT đáp ứng theo bối cảnh
(Opportunistic IT), trong đó các mạng và ứng dụng sẽ tuân theo quy luật bầy đàn (Swarm).
Các mạng máy tính sẽ phản ánh các mạng xã hội và khi cần, các cấu hình phần cứng và
1. Màn hình
Có 4 công nghệ màn hình đang nổi lên, thu hút sự quan tâm đặc biệt là:
- Màn hình sử dụng điot phát sáng hữu cơ (OLED);
- Màn hình sử dụng điot phát sáng polyme (PLED);
- Giấy điện tử sử dụng mực điện tử;
- Các hệ chiếu video.
OLED và PLED có tiềm năng đem lại hiệu quả lớn nhất cho các thiết bị điện toán và
TTDĐ. Cả 2 công nghệ đều có ưu điểm là tiêu thụ ít năng lượng. Chúng cũng không cần
phải có đèn chiếu sáng phía sau, giúp cho màn hình được chế tạo nhỏ hơn và mỏng hơn,
ngoài ra có thể in được lên các chất nền mềm, giúp giảm chi phí sản xuất.
a. Màn hình OLED
Hiện tại, nghiên cứu nâng cao tính năng và hiệu suất của OLED tập trung vào sử dụng
các tạp chất kim loại, hữu cơ để cải thiện hiệu suất lượng tử và hiển thị. Công trình nghiên
cứu gần đây cũng xem xét việc kết hợp các dendrimer huỳnh quang hoặc photpho vào
OLED để tăng cường chuyển vận điện tích và phát quang.
Tháng 5/2008, 11 công ty hàng đầu trong lĩnh vực OLED đã thành lập Hiệp hội OLED,
gồm Cambridge Display, Corning, DuPont, Eastman Kodak, eMagin v.v… Nhiệm vụ của
Hiệp hội là trao đổi thông tin kỹ thuật, đóng vai trò là nguồn lực cho các nhà đầu tư, xúc
tiến tiêu chuẩn hóa, thúc đẩy thị trường. Với ưu thế là có phạm vi kỹ thuật và địa lý rộng
lớn, cũng như sự có mặt của cả những doanh nghiệp lớn lẫn doanh nghiệp nhỏ, Hiệp hội sẽ
là một cơ sở mạnh để thúc đẩy sự tiến bộ của các ứng dụng OLED.
b. Màn hình PLED
Màn hình này cũng tương tự như OLED, nhưng khác ở chỗ là có thể chế tạo trên những
chất nền lớn, mềm, trên cơ sở sử dụng kỹ thuật in phun. Điều này có thể giúp giảm bớt chi
phí sản xuất. Nghiên cứu gần đây cho thấy khả năng kết hợp PLED với tranzito màng mỏng
polysilic để tăng độ phân giải (230 điểm/inch), được phun lên chất nền mềm làm từ thép
không rỉ. Các nghiên cứu cũng đang tiến hành để phát triển những tiền tố hóa chất thân
thiện với môi trường hơn phục vụ cho PLED. Những tiến bộ trong việc nâng cao tính năng,
giảm thiểu độc hại liên quan đến quá trình chế tạo, mở rộng phạm vi của các chất nền khả dĩ
sẽ giúp cho cả PLED lẫn OLED còn hấp dẫn hơn nữa đối với TTDĐ. Do sự tương tự của 2
- LED;
- Các nguồn laser đỏ, xanh lam và xanh lục;
- Các hệ vi cơ điện (MEM)
Trong tương lai, các hệ thống nano cơ điện (NEM) có thể giúp cải thiện tính năng của
màn hình chiếu video.
2. Bộ nhớ
Những bước tiến nhanh chóng của thiết bị nhớ và lưu trữ dữ liệu đã giúp phổ cập rộng
rãi các thiết bị điện toán di động. Nếu vào năm 1998, các thiết bị nhớ flash, chẳng hạn như
thường được dùng trong các camera số, có dung lượng nhớ là 256 MB, thì ngày nay, con số
đó lên tới 16 giga, tức là tăng gấp 62,5 lần.
6
Ngoài bộ nhớ flash, một số công nghệ đang được triển khai mới nổi lên là:
- Bộ nhớ sử dụng ống nano cacbon, hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dựa vào
ống nano (chẳng hạn như NRAM của Nantero);
3. Pin và các thiết bị tích trữ năng lượng
Trong số 4 công nghệ cấu phần của TTDĐ, thì pin và các thiết bị tích trữ năng lượng, do
đóng vai trò quyết định khoảng thời gian hoạt động trước khi phải xạc lại, nên có tiềm năng
lớn nhất để ảnh hưởng tới sự tăng trưởng tương lai của các thiết bị điện toán di động. Mặc
dù thập kỷ qua, tốc độ hoàn thiện tính năng của các bộ nguồn điện pin/acquy là không bằng
bộ nhớ hoặc mạch tích hợp, nhưng những tiến bộ gần đây trong sử dụng các vật liệu được
tạo ra ở cấp nano đã đặt nền móng cho những bước tiến quan trọng trong những năm sắp
tới. Đặc biệt, các điện cực được cấu trúc hóa ở cấp nano là một lĩnh vực nghiên cứu cực kỳ
sôi động. Một số công trình đang nghiên cứu những hợp chất và cấu trúc khác nhau dùng
cho các điện cực của pin lithium-ion được cấu trúc ở cấp nano.
Những công nghệ đang nổi có nhiều hứa hẹn nhất:
- Các pin màng mỏng;
- Siêu tụ điện;
- Pin nhiên liệu.
a. Pin màng mỏng
Đây là công nghệ đang được khai phá để phục vụ cho TTDĐ. Các công ty hiện đã bắt
đầu tiếp thị những pin nhiên liệu có thể được dùng để cấp điện cho các thiết bị điện tử hiện
có. Tuy nhiên, tầm nhìn tương lai là chúng sẽ thay thế cho các pin hiện nay ở thiết bị. Các
nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) gần đây đã phát triển những vật
liệu mới để tăng lượng điện sản ra của các pin nhiên liệu, khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn
cho các thiết bị điện tử di động nói chung và TTDĐ nói riêng.
Mặc dù công nghệ này có hứa hẹn rất lớn, nhưng để pin nhiên liệu được sử dụng rộng rãi
trong các thiết bị điện tử và TTDĐ, cần phải nghiên cứu tiếp tục về kỹ thuật thiết kế và mô
tả đặc trưng của chúng và cần tìm ra các giải pháp cho một số thách thức thị trường (ví dụ
như cách thức cung cấp nhiên liệu cần thiết cho pin, như ethanol chẳng hạn). Tuy nhiên,
một số công ty lớn đang tích cực phát triển và tiếp thị các công nghệ pin nhiên liệu ethanol
dùng cho thiết bị điện tử di động. Những công ty này gồm Sony và MTI Micro. Ngoài ra,
Samsung đang phát triển pin nhiên liệu cho thiết bị điện tử di động sử dụng nước thay cho
ethanol. Samsung cho biết sẽ thương mại hóa loại pin này vào năm 2010.
4. Cảm biến và anten
a. Cảm biến
Vài năm gần đây, những cảm biến được tạo ra bởi công nghệ vi mô và nano đã thu hút
được sự chú ý lớn của cả khu vực hàn lâm lẫn khu vực công nghiệp. Sự chú trọng hiện nay
là R&D và thương mại hóa các cảm biến được tạo bởi công nghệ vi mô và nano dùng phát
hiện chuyển động, các tác nhân sinh học và hóa chất. Nhiều cảm biến này được ứng dụng
trong thiết bị TTDĐ, chẳng hạn như để truyền thông tin về tình trạng sức khoẻ cá nhân và
trong các hệ thống FRID, chẳng hạn như để tạo khả năng giám sát được kết mạng. Mặc dù
có lo ngại về sự đe dọa tiềm tàng đối với bí mật cá nhân của các mạng cảm biến có mặt ở
khắp nơi, nhưng nhiều người cho rằng chúng là phương tiện để tăng cường an ninh và hiệu
quả của các chuỗi cung cấp, theo dõi sự xuống cấp của kết cấu hạ tầng (chẳng hạn nhu cầu
và nhà máy điện), theo dõi môi trường, sức khoẻ cộng đồng và an toàn.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức đặt ra cho công tác nghiên cứu. Ví dụ, Microsoft
gần đây đã xuất bản một tài liệu về sử dụng các điện thoại di động làm khuôn khổ cho mạng
cảm biến vô tuyến. Những thách thức đặt ra là làm sao hiện hữu được dữ liệu của các cảm
biến và tìm ra phương thức tối ưu để lưu trữ những dữ liệu đó, để chúng có thể hiện hữu cho
như Intel và NXP Semiconductor cũng đang ra sức nghiên cứu để nâng cao hiệu năng mạch
tích hợp. Một cách tiếp cận là vận dụng những tiến bộ liên quan đến việc chuyển sang các
kỹ thuật xử lý 65 nanomet để giảm các dòng điện dò. Một cách tiếp cận nữa là tìm ra các
kiến trúc mới để cải thiện hoạt động ở mức điện năng thấp.
Nhiều nghiên cứu cần thiết trong lĩnh vực này đã được nêu rõ trong bản “Lộ trình công
nghệ quốc tế đối với vật liệu bán dẫn (ITRS)”. Lộ trình này là một tài nguyên quan trọng
cho các ngành và các trường đại học tham gia vào R&D và thiết kế mạch tích hợp trong
thập kỷ qua. Nó khai phá những vấn đề và xu hướng quan trọng trong công nghệ bán dẫn và
nhận dạng những giải pháp tiềm năng để ứng phó với những trở ngại đang nổi lên. Một
phần mục tiêu của ITRS là thúc đẩy hợp tác quốc tế giữa những tổ chức liên quan đến
ngành bán dẫn, làm sao để "nguồn vốn tài chính cho các công nghệ tiền cạnh tranh được
9
chia sẻ bình đẳng trong toàn ngành". Từ năm 2003, ITRS đã đưa vào một chương riêng đề
cập đến sự phát triển công nghệ TTDĐ.
Theo ITRS, những xu hướng tương lai của TTDĐ đòi hỏi phải dịch chuyển sang các cấu
trúc mới để tiếp tục nâng cao mật độ và tính năng của mạch tích hợp. Ví dụ, mạch tích hợp
cổng kép (Dual-gate) và mạch silic trên điện môi (Silicon-on-insulator). Nhu cầu gia tăng
đối với các bộ khuếch đại công suất dùng cho điện thoại di động là một lĩnh vực quan trọng
nữa cần được nghiên cứu. Những bộ khuếch đại này trong tương lai sẽ phải đáp ứng đặc
tính tuyến tính nghiêm ngặt ở những phạm vi ngày càng mở rộng của giao thức truyền
thông mà không làm tăng đáng kể về phí tổn.
6. Các hệ thống FRID
Các hệ thống FRID thường gồm 2 cấu phần: bộ đọc FRID và thẻ FRID. Bộ đọc cho
phép người dùng thẩm vấn hệ thống, còn thẻ FRID lưu trữ dữ liệu sẽ được đọc. Thoạt đầu,
FRID được coi như một phương tiện thay thế mã vạch trong hậu cần và kiểm soát vật tư.
Nhưng ngày nay, với sự tiến bộ của các công nghệ, đặc biệt là sự hoàn thiện của các mạch
tích hợp và các bộ nhớ và sự tiến bộ của các cảm biến nhờ CNNN và vi mô, các thẻ FRID
cung cấp nhiều thông tin hơn rất nhiều chứ không chỉ phục vụ cho lĩnh vực hậu cần. Hiện
nay, chúng có thể cung cấp dữ liệu chẩn đoán, chẳng hạn như nhiệt độ hoặc độ ẩm của vật
với các nguồn thông tin sinh học ngày càng phong phú. Thành quả thu được từ những công
cụ đó hiện đã hiện hữu, chẳng hạn như bản đồ hệ gen Người. Những nỗ lực trong lĩnh vực Hệ
gen chức năng (Proteomics) đã giúp theo dõi được trực tiếp rất nhiều phản ứng hoá học diễn
ra trong cơ thể sống- đây mới chỉ là bước khởi đầu cho một quá trình phát triển có triển vọng
sẽ diễn ra với tốc độ hết sức nhanh và có phạm vi rộng. Những tiến bộ hiện nay trong vi mạng
cảm biến axit nucleic và nhiều loại protein đem lại khả năng thực hiện nhiều thử nghiệm cùng
một lúc ở trên một mẫu thử, tạo ra những lượng dữ liệu lớn một cách nhanh hơn và rẻ hơn.
Những thiết bị cảm biến nối mạng để phát hiện enzym, kháng nguyên, kháng thể, axit nucleic
cũng có mặt trên các chip không chỉ chứa các cấu phần sinh học mà còn cả mạch tích hợp để
ghi lại các kết quả phân tích. Các chức năng như vậy sẽ được kết hợp ngày càng nhiều với các
công nghệ y tế, giúp có được các cảm biến kích thước nhỏ và có thể cấy ghép vào cơ thể để
thu nhận những thông tin sinh học chi tiết của mỗi cá nhân.
Những tiến bộ công nghệ không có liên quan trực tiếp với sinh học cũng góp phần để có
được lượng thông tin sinh học ngày càng tăng. Ví dụ, những hoàn thiện trong một phạm vi
rất rộng các mạch điện tử và công nghệ thông tin của công nghệ chụp ảnh y học. Các công
nghệ chụp ảnh y học hiện nay giúp các bác sỹ trực tiếp quan sát được bệnh tật và thương
tổn mà không cần phải can thiệp bằng giải phẫu. Ngoài ra, những cải tiến đối với thiết bị
hiện thị và kiểm soát thông tin, chẳng hạn như những màn hình âm thanh- hình ảnh 3 chiều
để quan sát các bộ phận cơ thể và các mối tương tác của thuốc, tạo điều kiện tốt cho việc
chẩn đoán, ra quyết định và điều trị.
- Ứng dụng thông tin sinh học
Những công nghệ này phát triển sẽ càng tạo khả năng để tiến hành công tác y tế phù hợp
với từng cá nhân, với những liệu pháp được thực hiện phù hợp với tình trạng bệnh tật của
người bệnh. Các bước tiến trong phương pháp lập chuỗi nhanh và tiến hành song song sẽ
giúp nhận được thông tin hệ gen của từng người với giá ngày càng rẻ. Dữ liệu và công nghệ
lập chuỗi gen cũng đã bắt đầu đem lại thành quả trong việc giúp hiểu được những khác biệt
mà những bệnh nhân khác nhau phản ứng với thuốc, chẳng hạn như lý do vì sao có một số
bệnh nhân ung thư phổi lại phản ứng với một phương pháp hoá trị liệu nào đó, trong khi
những bệnh nhân khác lại không phản ứng. Sự khác biệt về gen trong số những bệnh nhân
ung thư khác nhau cũng được sử dụng để dự đoán sự lây lan của bệnh tật. Kỹ thuật chụp
tật mới cho con người. Ví dụ, các cơn đau tim hoặc các bệnh về tim có thể để lại sẹo. Những
phát hiện gần đây cho thấy rằng khác với người, loài cá ngựa vằn có thể tự tái sinh mô tim.
Trong tương lai, việc khám phá ra các gen thúc đẩy sự tái sinh mô tim của cá có thể giúp đem
lại phương pháp làm lành sẹo khi chữa trị bệnh tim ở người.
Ngoài việc phát hiện ra rằng những khác biệt nhỏ ở mỗi người có thể gây ra những ảnh
hưởng quan trọng đối với hiệu quả sử dụng những loại dược phẩm nhất định, thì việc có được
ngày càng nhiều lượng tri thức và hiểu biết sinh học cũng thể hiện tính chất cực kỳ phức tạp
của các hệ thống và quá trình sinh học. Các hệ thống sinh học không đơn giản là những thông
tin gen được truyền vào các vật liệu cần thiết để tạo dựng và hỗ trợ sự sống. Chúng bao hàm
các chức năng điều chỉnh để kiểm soát quá trình biểu hiện gen (Gene Expression), các hệ
thống cải biến các sản phẩm gen sau khi chúng được sản sinh ra… Một điều đã rút ra được
sau khi hoàn thành biểu đồ hệ gen người là số lượng gen của người ít hơn nhiều so với dự
đoán căn cứ vào mức độ phức tạp của giải phẫu sinh lý người. Điều đó chứng tỏ rằng tầng
nấc phức tạp nói trên đóng một vai trò quan trọng. Những công trình nghiên cứu ở thập kỷ
qua cho thấy rằng có những cấu phần của ADN (Axit dcoxyribonuclie) đã từng được coi là
không có chức năng gì, nhưng trên thực tế chúng có thể lại đóng vai trò then chốt trong việc
12
điều chỉnh chức năng gen. Ví dụ, những gen ẩn hoạt động thông qua ARN (Axit ribonucleic),
chứ không phải thông qua protein, xem ra lại đóng vai trò trong các vấn đề di truyền, phát
triển và bệnh tật.
Tất cả những sự việc trên cho thấy rằng trong 10 năm tới, các công cụ giúp thu nhận ngày
càng nhiều hơn lượng thông tin sinh học sẽ ngày càng trở nên phổ biến.
- Tác động của việc có thêm nhiều lượng thông tin sinh học
Sau 10 năm làm việc tích cực, nhóm các nhà khoa học quốc tế đã hoàn thành việc lập bản
đồ toàn bộ hệ gen người, mục tiêu đặt ra cho Dự án nghiên cứu hệ gen người (Human
Genome Project = HGP), được 10 quốc gia phát triển hợp tác thực hiện.
Đây được xem là một trong những công trình nghiên cứu quan trọng nhất của thế kỷ, vì
thành công này mở ra một kỷ nguyên mới trong nỗ lực chinh phục bệnh tật con người.
Việc giải mã hoàn tất bản đồ bộ gen người có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với việc
Năng lực thu thập thông tin sẽ phải phù hợp với sự hiểu biết kèm theo về cách thức diễn
giải thông tin thu thập được. Do sức mạnh của các cơ cấu thu thập thông tin dựa vào CNSH,
nên năng lực thu thập thông tin thường vượt trước sự hiểu biết cần thiết để diễn giải thông tin.
Ví dụ, đã có những kỹ thuật để đo mức độ của các chất ô nhiễm ở trong mỗi cá nhân, cho dù
vẫn chưa biết được ảnh hưởng của chúng tới sức khỏe như thế nào. Hay một quan sát mới
đây cho thấy các hạt bụi trong không khí có thể gây ra đột biến di truyền ở chuột. Tốc độ gia
tăng của lượng thông tin thu thập được có thể tạo ra sự quá tải thông tin, trong đó vẫn còn
chưa biết được những phép đo nào là quan trọng nhất.
2.1. Công nghệ sinh học y tế
2.1.1. Y học hệ gen (Genomic Medicine)
Y học hệ gen có nhiệm vụ nhận dạng các gen tham gia làm phát sinh bệnh tật và vạch ra
chiến lược chữa trị dựa vào tri thức này. Đây là bộ môn mới ở giai đoạn phát triển ban đầu.
Những dự án xây dựng ngân hàng gen quốc gia quy mô lớn, chẳng hạn như BioBank của
Anh, hay deCode Genetics của Aixơlen sẽ đóng vai trò quan trọng để giúp hiểu được sự phát
sinh và tiến triển của bệnh tật, cũng như sự phản ứng của từng người đối với bệnh tật và dược
phẩm được dùng để chữa trị chúng. Dự án deCode là một trong những công trình khảo sát
gen của quần thể ở mức tiên tiến nhất.
Một sáng kiến then chốt nữa là dự án HapMap, nhằm tạo ra một biên mục của các biến thể
gen chung xảy ra ở con người. Dự án này được thiết kế để cung cấp thông tin cho các nhà
nghiên cứu sử dụng nhằm liên kết lại những phương pháp phòng ngừa, chẩn đoán và chữa trị
mới.
Mặc dù nhiệm vụ đặt ra phức tạp và cần phải thu thập và phân tích những dữ liệu khổng lồ,
nhưng y học hệ gen hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành y tế và quá trình phát triển dược phẩm
Những công nghệ đang nổi lên tạo động lực cho sự phát triển của y học hệ gen gồm:
* Các công cụ chẩn đoán;
* Các dược phẩm thích hợp với từng người;
* Các liệu pháp gen;
Công cụ chẩn đoán
Các công cụ chẩn đoán nhanh tạo ra “làn sóng” quan trọng thứ nhất của các ứng dụng lâm
sàng trong y học hệ gen. Có thể thấy trước một tương lai, khi năng lực xét nghiệm gen sẽ đạt
ADN khác ở 1 lần thử duy nhất. Năng lực này có tầm quan trọng để xét nghiệm hiệu quả các
bệnh phức tạp liên quan đến nhiều gen và đánh giá được giai đoạn phát triển của bệnh.
Công nghệ cảm biến, chẳng hạn như cảm biến dựa vào dây nano - một ứng dụng đang nổi
- xem ra nhạy cảm hơn 1000 lần so với xét nghiệm ADN và cho kết quả sau vài phút, chứ
không cần đến vài ngày hoặc vài tuần, có thể sẽ mở đường cho những xét nghiệm nhanh hơn
và chính xác hơn. Những cảm biến cực nhạy này là một ví dụ về khả năng đo trực tiếp dòng
điện của ADN bằng CNNN.
Các công nghệ hiển thị hình ảnh gần đây cũng đặc biệt hứa hẹn. Ví dụ, thiết bị chụp ảnh
cộng hưởng từ (MRI) giúp ta quan sát được các mô, các bộ phận và chức năng của chúng.
Các chuyên gia tin rằng trong vòng 5 năm tới sẽ có được thiết bị chụp ảnh phân tử để quan sát
được sự biểu hiện gen ở người (công nghệ này hiện đã được dùng cho động vật). Điều này
không chỉ đem lại khả năng cho chẩn đoán mà còn cho phép quan sát, đánh giá ở thời gian
thực những tác dụng của nhiều loại dược phẩm và liệu pháp gen.
Những hạt nano, đặc biệt là chấm lượng tử (Quantum Dot) sẽ đóng vai trò quan trọng trong
lĩnh vực đang nổi là phát triển phần tử đánh dấu sinh học (Biomarker). Tuy nhiên, giống như
các hạt nano khác, chấm lượng tử có thể đem lại rủi ro cho sức khoẻ con người. Để khắc phục,
các nhà khoa học đã bổ sung thêm các chất phủ để đảm bảo cho độ an toàn và độ ổn định. Tuy
nhiên, để công nghệ này có thể áp dụng cho cơ thể người, các nhà nghiên cứu sẽ phải phát triển
các chất phủ vừa đáp ứng được tính an toàn, vừa duy trì được hiệu quả hoạt động.
Gen dược học (Pharmacogenetics)
90% dược phẩm hiện nay chỉ đạt hiệu quả 30-50% cho bệnh nhân, vì cơ thể con người có
những phản ứng khác nhau đối với cùng một loại dược phẩm. Gen dược học-một bộ môn
15
chuyên nghiên cứu về ảnh hưởng của sự khác biệt gen đối với phản ứng của từng cá nhân lên
dược phẩm. Ứng dụng của Gen dược học cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình
phát triển dược phẩm, đặc biệt là thử nghiệm lâm sàng. Việc có được khả năng sàng lọc chính
xác những cá nhân để thử nghiệm trước cũng có thể có tác động lớn tới cách thức thiết kế và
quản lý thử nghiệm để giảm bớt phí tổn. Cũng có thể tăng độ linh hoạt trong quá trình này:
một thử nghiệm đã bị bãi bỏ trước đó vẫn có thể được tiếp tục nếu loại trừ những bệnh nhân
Liệu pháp gen sẽ tiếp tục được hoàn thiện, mặc dù không diễn ra nhanh như dự đoán trước
đây. Các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng những trạng thái bệnh tật khác nhau đòi hỏi
những hệ thống nạp gen khác nhau, bởi vậy sẽ hợp lý nếu những ứng dụng liệu pháp gen
được phát triển trên cơ sở đo lường và mang tính đặc thù đối với từng loại bệnh. Phần lớn
16
những dự báo gần đây đều cho rằng liệu pháp gen theo từng căn bệnh sẽ nổi lên vào giai
đoạn 2010-2020.
Vacxin
Trong số các biện pháp can thiệp y tế, vacxin là một trong những phương pháp đã có từ lâu
và ít tốn kém, có tác động lớn nhất tới công tác chăm sóc sức khoẻ cộng đồng.
Công nghệ này đã đạt được nhiều tiến bộ nhờ sự hiểu biết gia tăng về bản chất của các vi
khuẩn lây nhiễm, nhưng sẽ tiếp tục phát triển bởi động lực của một số bệnh đang đặt ra thách
thức cho y học, chẳng hạn như AIDS, sốt rét và cúm. Sự nhấn mạnh gần đây đến nguy cơ xảy
ra chiến tranh sinh học cũng thúc đẩy công tác phát triển vacxin. Chính phủ Mỹ trong Dự án
Bioshield gần đây đã dành riêng 5,6 tỷ USD để phát triển các công nghệ chống lại vũ khí sinh
học. Trong 10 năm tới, kinh phí Liên bang sẽ được dùng để mua các dược phẩm và vacxin để
đối phó với một loạt các mầm bệnh.
Cũng có sự quan tâm ngày càng tăng đến vacxin ADN, trong đó ADN được dùng thay cho
protein để tạo ra phản ứng miễn dịch. Việc áp dụng sinh học phân tử để nhận dạng các gen
độc hại đã đem lại hiểu biết mới về sự phát sinh bệnh của các vi khuẩn độc hại. Sự hiểu biết
mới này cùng với việc có thêm kiến thức về phản ứng miễn dịch đã khiến một số nhà bình
luận dự báo rằng tới năm 2010 các vacxin ADN sẽ cạnh tranh thị phần với các biện pháp dựa
vào sinh học và hoá chất.
2.1.2. Y học tái sinh (Regenerative Medicine)
Y học tái sinh là chuyển chú trọng từ thay thế mô sang sửa chữa và tái sinh mô bị bệnh và
lão hoá, thông qua phương pháp sinh học. Dự báo từ nay đến năm 2020, các biện pháp tái
sinh sẽ dùng chữa trị những bệnh Alzheimer, Parkinson, tiểu đường và bệnh tim. Lâu dài hơn,
mục tiêu đặt ra là tái sinh các bộ phận.
Một số động lực then chốt khiến gia tăng hoạt động nghiên cứu bộ môn này bao gồm sự
Các sản phẩm có tiềm năng sẽ được sử dụng trong thực tiễn tới năm 2020 và xa hơn
Làn sóng thứ nhất
2004 - 2010
* Các mô cấu trúc (da, xương và sụn);
* Kết hợp nhân tố tăng trưởng vật liệu sinh học vào da nhân tạo;
* Thay thế đĩa đệm cột sống bằng sụn nhân tạo.
Làn sóng thứ hai
2010 - 2020
* Các liệu pháp sử dụng tế bào ngoại lai (chẳng hạn cho não và tụy);
* Các liệu pháp dựa vào tế bào gốc để chữa bệnh tiểu đường, bệnh
tim mạch, Parkinson và Alzheimer.
Làn sóng thứ ba
2020
* Các bộ phận sinh học nhân tạo;
* Liệu pháp tế bào gốc để điều trị bệnh thần kinh;
* Tạo ra trọn bộ phủ tạng thay thế.
2.1.3. Y học Nâng cao
CNSH còn được áp dụng cho các mục đích tăng cường thêm các đặc tính không thuộc
về y học. Những tiến bộ công nghệ tiềm năng sẽ diễn ra ở các lĩnh vực sau:
* Ngăn chặn tình trạng lão hoá;
* Nâng cao thể lực;
* Nâng cao các đặc trưng gen: những trẻ em được thiết kế (Designer Babies), với những
đặc trưng cần thiết;
* Nâng cao khả năng nhận thức/trí nhớ.
2.2. Công nghệ sinh học nông, lâm nghiệp và chăn nuôi
2.2.1. Cây trồng biến đổi gen (GM)
Hiện nay, 6 quốc gia canh tác chính (Mỹ, Canađa, Achentina, Braxin, Trung Quốc và
Nam Phi) đã chiếm 99% số cây trồng GM thuộc “làn sóng thứ nhất”. Tỷ lệ áp dụng ở các
ra
* Các cây trồng;
* Tăng các thành phần chức năng;
* Cải biến hàm lượng bột, protein và chất béo;
* Cải biến quá trình chín của quả;
2013-2020
Thế hệ 3: Chống lại áp lực phi sinh học
và phát triển sản phẩm mới
* Thực phẩm trị liệu;
* Cây trồng chịu hạn và chịu mặn;
* Dược phẩm phân tích;
Châu Âu và Bắc Mỹ không phải là những trung tâm duy nhất trên toàn cầu về CNSH
thực vật. Các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ và Braxin cũng đang đầu tư mạnh mẽ vào
CNSH nông nghiệp. Sau Mỹ, Trung Quốc là quốc gia đang phát triển năng lực về CNSH
thực vật lớn nhất. Danh mục các cây trồng GM hiện đang được thử nghiệm mạnh mẽ trên
thực địa của Trung Quốc khác với những loại cây được phát triển ở các nơi khác trên thế
giới (danh mục này bao gồm các cây lương thực như lúa, lúa mì, khoai tây, đậu). Chẳng
hạn, năm 2002, ở các nước công nghiệp phát triển, 45% số cây đang thử nghiệm thực địa là
các loài chịu được thuốc trừ cỏ và có chất lượng sản phẩm được nâng cao, chỉ có 19% các
loài chịu được sâu bệnh. Còn ở Trung Quốc, 90% các loài cây đang thử nghiệm là nhằm
19
mục đích chịu được sâu bệnh. Cùng với sự gia tăng nguồn nhân lực có giá nhân công rẻ và
kết cấu hạ tầng, Trung Quốc sẽ nổi lên trong lĩnh vực này trong tương lai trung hạn.
2.2.2. Những công nghệ khác
2.2.2.1. Gây giống thông minh (“Smart Breeding”)
Không phải tất cả CNSH thực vật là liên quan đến biến đổi gen. Những tiến bộ trong hiểu
biết về di truyền học chính xác của các đặc tính thực vật cho thấy rằng có thể đạt được những
đặc tính như khả năng chịu hạn hoặc tăng giá trị dinh dưỡng mà không cần biến đổi gen.
Sinh sản chọn lọc và tăng sản lượng
Một trong những ứng dụng đầu tiên của CNSH hiện đại trong chăn nuôi là sử dụng hệ
gen học trong tạo giống. Ngày càng gia tăng việc lựa chọn có sử dụng các phần tử đánh dấu
20
là gen để quyết định chọn lựa những đặc tính sinh sản cần thiết và phức tạp hơn trước đây
và để duy trì tính đa dạng gen của đàn/bầy.
Đã nhận dạng được một số gen tạo ra những đặc tính cần thiết (như tăng độ nạc và độ
béo). Các phép xét nghiệm chẩn đoán ADN đối với một số đặc tính này hiện đã được ứng
dụng trong thực tiễn tạo giống vật nuôi.
Về lý thuyết, vật nuôi có thể được áp dụng kỹ thuật gen để biểu thị những đặc trưng mà
có thể giúp làm tăng sản lượng. Đó là do việc biến đổi gen cung cấp phương pháp để đưa
nhanh các gen vào dòng mầm (Germ Line) của con vật mà không cần phải đợi thời gian để
lai chéo. Nhưng còn phải giải quyết nhiều vấn đề về kỹ thuật, đạo đức, an toàn thực phẩm
và quyền lợi động vật trước khi công nghệ GM có tác động tới thực tiễn sản xuất nông
nghiệp chính thống.
Hiện tại, chưa có các sản phẩm động vật GM trên thị trường toàn cầu. Tuy nhiên, sản
xuất dược phẩm từ các động vật GM có tiềm năng sẽ nằm trong làn sóng ứng dụng thứ
nhất, vì giảm được rất nhiều chi phí sản xuất (ước tính chỉ bằng 1/1000 chi phí của các
phương pháp thông thường).
Các động vật có tiềm năng đóng góp theo những cách sau:
* Sản xuất protein trị liệu;
* Cung cấp tế bào, mô và phủ tạng cho bệnh nhân cần cấy ghép;
* Sản xuất các peptide kháng khuẩn.
Sản xuất protein trị liệu (Biopharming)
Biopharming là lĩnh vực sản xuất các protein hiếm, phục vụ trị liệu cho người ở các động
vật GM. Gần đây, ngành công nghiệp CNSH cực kỳ thiếu hụt năng lực sản xuất protein trị
liệu hiếm: việc sản xuất thông thường từ máu hoặc chiết suất từ mô tỏ ra là không hiệu quả
và cần nhiều vốn, còn thị trường đối với các sản phẩm cá nhân lại rất nhỏ. Do các động vật
GM có thể sản xuất hiệu quả những protein này nên đã thu hút được nhiều chú ý. Việc sử
lignin/xenlulo từ cỏ, cây và dư lượng cây trồng, khi công nghệ và kết cấu hạ tầng đạt trình
độ để chiết suất và xử lý những cấu phần hữu ích từ các nguồn này. Dự báo sau 2010, các
cây lấy sợi mới phục vụ cho công nghiệp sẽ trở thành chính thống.
2.3.2. Công nghệ xử lý sinh học
Xúc tác sinh học
Trong công đoạn xử lý sinh học công nghiệp, chất xúc tác sinh học là enzym, tế bào hoặc
vi sinh vật có tác dụng kích hoạt hoặc tăng tốc phản ứng hoá sinh. Lên men vi khuẩn, chất
xúc tác tế bào và các các xúc tác dựa vào enzym là thường được dùng nhiều nhất trong các
phương pháp xử lý sinh học công nghiệp. Những quy trình này được thực hiện trong các
thiết bị phản ứng hoặc lên men. Tuy nhiên, thực vật và vật nuôi biến đổi gen cũng sẽ có
tiềm năng được dùng làm các “xí nghiệp” để sản xuất protein và hoá chất giá trị.
Lên men
CNSH công nghiệp hiện nay sản xuất một loạt hoá chất thô và tinh. Lên men là công
nghệ thường dùng nhiều nhất cho quá trình sản xuất này. Các vi sinh vật được nuôi cấy
chuyên dụng (vi khuẩn, men và nấm) đã chuyển hóa có hiệu quả đường thành sản phẩm
hữu ích. Phạm vi của sản phẩm rất rộng, từ những sản phẩm thô, giá rẻ đến những loại rất
tinh khiết và đắt tiền như dược phẩm.
Công nghệ biến đổi gen đã đem lại khả năng tạo ra những thay đổi ở những vi sinh vật
này. Ví dụ, có thể nâng cao hiệu quả lên men của chúng bằng 2 kỹ thuật GM: thiết kế
đường trao đổi chất và nạp gen của các loài khác (vi sinh vật hoặc sinh vật cấp cao).
Xúc tác bằng enzym
Enzym được sản xuất ra trong quá trình lên men công nghiệp và tiếp đó có thể được
dùng để làm xúc tác công nghiệp. Việc sử dụng enzym trong công nghiệp tuyệt nhiên
không phải là công nghệ mới. Chúng đã được dùng cho các sản phẩm như chất tẩy rửa từ
thập kỷ 50. Mckinsey ước tính tới năm 2010, chỉ riêng ở Mỹ, tổng giá trị tạo ra- xét về hiệu
suất, doanh thu từ enzym và lợi nhuận sinh ra nhờ các sản phẩm có sử dụng các xúc tác sinh
học - có thể tăng gấp đôi, tức là 12 tỷ USD.
22
Các quy trình công nghiệp được xúc tác bằng enzym luôn luôn hiệu quả hơn so với
v.v…);
* Hoá chất công nghiệp (nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học);
Mỗi một nhóm sản phẩm trên đang ở giai đoạn phát triển khác nhau, với những động
lực, mối quan hệ phụ thuộc, nhu cầu phát triển kết cấu hạ tầng và những triển vọng giá trị
khác nhau.
2.3.3.1. Sản xuất dược phẩm
Hiện tại, mức độ thâm nhập lớn nhất của CNSH công nghiệp là ở các ngành dược phẩm,
trong đó 20-30% là có sử dụng công nghệ lên men hoặc xúc tác enzym trong quá trình sản
xuất. Lĩnh vực công nghiệp này được dự báo là sẽ tăng trưởng cả về trước mắt lẫn lâu dài.
23
Xét ở quan điểm năng suất, các vi sinh vật và enzym được hoàn thiện cũng sẽ giúp giảm
giá thành sản xuất thuốc. Điều này cũng đem lại khả năng sử dụng hiệu quả hơn năng lực
sản xuất hiện có và dùng vốn để đầu tư cho năng lực mới.
Việc sử dụng CNSH trong ngành dược phẩm sẽ tiếp tục gia tăng. Điều này cũng đúng
đối với ngành hoá công nghiệp nói chung: Sẽ nhiều sản phẩm có khối lượng nhỏ, nhưng giá
trị cao, chỉ cần kết cấu hạ tầng sản xuất ở mức “khiêm tốn” .
2.3.3.2. Chất dẻo sinh học
Trong vài năm qua, đã có một số đột phá công nghệ trong sản xuất chất dẻo sinh học tái
tạo. Quả thực, xét về ngắn hạn và trung hạn, chất dẻo sinh học được coi là có khả năng lớn
nhất để thâm nhập vào thị trường hoá dầu truyền thống.
Mc Kinseydự báo rằng tới 2010, 10% các sản phẩm polyme có thể liên quan đến CNSH
ở một hình thức nào đó. Công ty này cũng dự báo rằng tới 2010, 20% giá trị của ngành hoá
chất toàn cầu sẽ có nguồn gốc từ CNSH. Những dự báo khác nhận định rằng các chất dẻo tự
phân huỷ bằng sinh học sẽ chiếm 30% thị trường chất dẻo vào năm 2015-2017.
Tuy nhiên, còn phải khắc phục một số trở ngại công nghệ để cho nguyên liệu hoặc thành
phẩm đủ rẻ. Khâu đột phá then chốt là phải sản xuất được glucose giá rẻ. Nguồn chủ yếu
của glucose công nghiệp hiện nay trên toàn cầu là tinh bột ngô. Trong ngô, tỷ trọng lớn nhất
là xenlulo. Xenlulo cũng giống tinh bột ở chỗ cũng là polyme của glucose, nhưng khó phân
giải. Hiện cuộc đua đang diễn ra để phát triển các enzym có tác dụng chuyển hoá xenlulo
đầu nổi lên ở thị trường vào năm 2025. Nếu dự báo này diễn ra đúng thì khi đó việc sản
xuất hyđro sẽ giúp phát triển các pin nhiên liệu phục vụ ngành vận tải và triển vọng sẽ trở
thành nền kinh tế hyđro. Các công nghệ này sẽ được phát triển từ 2020 trở đi.
III. VẬT LIỆU MỚI
Vật liệu mới thường là những động lực quan trọng để ra đời những hệ thống và ứng dụng
mới với những ảnh hưởng quan trọng. Những phát triển trong khoa học và kỹ thuật vật liệu
có được là nhờ hoạt động nghiên cứu vật liệu liên ngành.
3.1. Những xu hướng hiện nay trong hoạt động nghiên cứu
Những xu hướng nghiên cứu có thể đem lại những ảnh hưởng toàn cầu tới năm 2020
được phân loại như sau:
1. Thiết kế khái niệm/vật liệu
Bắt chước giới sinh vật (Phỏng sinh học): là sự bắt chước tự nhiên để thiết kế các hệ
thống, vật liệu và chức năng của chúng. Những ví dụ của lĩnh vực này hiện nay gồm việc
tạo các lớp vật liệu để đạt tới độ cứng của vỏ con bào ngư, hoặc cố tìm hiểu nguyên nhân
khiến cho tơ nhện lại khoẻ hơn thép.
Thiết kế vật liệu kết hợp: là sự sử dụng năng lực máy tính (đôi khi được tiến hành cùng
với vô số những cuộc thử nghiệm đồng thời) để lọc ra nhiều khả năng khác nhau của các vật
liệu nhằm tối ưu hoá các tính chất phục vụ cho những ứng dụng cụ thể (chẳng hạn như các
xúc tác, dược phẩm, vật liệu quang học).
2. Lựa chọn, sơ chế và chế tạo vật liệu
Composit là những vật liệu kết hợp các kim loại, gốm, polyme và các vật liệu sinh học
để thực hiện được các công việc đa chức năng. Một biện pháp thông thường là gia cường
thêm sợi gốm vào polyme hoặc gốm để nâng cao độ bền, trong khi vẫn giữ được tính chất
nhẹ và tránh được tính ròn của vật liệu gốm nguyên chất. Các vật liệu được dùng cho cơ thể
thường kết hợp các chức năng kết cấu và sinh học (chẳng hạn như để làm vỏ chứa thuốc).
3. Vật liệu nano:
Là những vật liệu với các tính chất có thể kiểm soát được ở kích cỡ nhỏ hơn micron
(<10
-6
hạn như những chất keo lơ lửng). Đây là phương tiện để nhận được các vật liệu cấu trúc
theo kiểu “từ dưới đi lên” (bottom up), ngược lại với các phương pháp chế tạo như kiểu in
ảnh litô (lithography) mà ngày nay bị hạn chế bởi năng lực của dụng cụ và phương pháp đo
lường. Ví dụ, các polyme hữu cơ đã được gắn với các phân tử nhuộm để hình thành phên
đan ở phạm vi bước sóng ánh sáng nhìn thấy và phên đan này có thể thay đổi được tuỳ
thuộc vào hoá chất. Ở đây ta nhận được loại vật liệu có tính chất huỳnh quang và thay đổi
màu sắc để cho thấy sự có mặt của những hoá chất đặc thù.
7. Chế tạo bằng ADN
Phương pháp này học theo cách thức sản xuất xảy ra trong thế giới sinh vật. Nó bao gồm
việc sử dụng ADN tạo chức năng cho các hạt (phần tử, hoặc chi tiết xây dựng-building
block), sau đó bằng các quá trình nhận dạng ADN, các phần tử hoặc chi tiết xây dựng đó
được lắp ráp với nhau tạo ra các cấu trúc dự kiến. Sử dụng cách tiếp cận này Mirkin và các
cộng sự đã tạo ra một phương pháp xét nghiệm có tính chọn lọc cao và cực kỳ nhạy, trong
đó họ đã gắn các chuỗi ADN vào các hạt vàng (Au) có đường kính 13 nano. Cách tiếp cận
này tương hợp với phương pháp vẫn thường được dùng là phản ứng chuỗi polyme hoá
(Polymerase chain reaction-PCR) để tăng cường lượng chất mà ta dự định.
8. Chế tạo ở cấp micron và nano
Ví dụ về phương pháp này là phép in lito các chi tiết micron và nano lên cùng một vật
liệu bán dẫn hoặc sinh học. Có một lưu ý quan trọng là để phát triển được các kỹ thuật này
Copyright: Tài liệu đại học ©