Công nghệ sinh học là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống nhằm tạo ra các công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường. Đây là một cái nhìn rất rộng về ngành khoa học đang phát triển nhanh chóng này.

Theo định nghĩa như vậy, trong nhiều thế kỷ, nông nghiệp và chăn nuôi được coi là một lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học. Qua đó, nhờ ứng dụng công nghệ sinh học đã tạo ra nhiều loại thuốc mới và cây trồng kháng sâu bệnh.

Sự phát triển của công nghệ sinh học được bắt đầu phát triển khi Stanely Cohen và Herbert Boyer chứng minh khả năng nhân bản DNA trong phòng thí nghiệm Stanford của họ vào năm 1973. Công nghệ sinh học đã trở thành một phần quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay.

Kể từ những thí nghiệm nhân bản DNA đầu tiên, các kỹ thuật công nghệ di truyền đã phát triển để tạo ra các phân tử sinh học, vi sinh vật và tế bào. Các nhà di truyền học cũng đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau để tìm ra các gen mới và tìm ra cách chúng hoạt động, tạo ra động vật và thực vật chuyển gen.

Giữa cuộc cách mạng kỹ thuật sinh học này, các ứng dụng thương mại bùng nổ. Một ngành công nghiệp phát triển xoay quanh các kỹ thuật như nhân bản gen (sao chép), gây đột biến có định hướng (đột biến gen trực tiếp) và xác định trình tự DNA. Sự can thiệp của RNA, ghi nhãn và phát hiện phân tử sinh học và khuếch đại axit nucleic cũng được phát triển và giới thiệu.

Ngành công nghệ sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, nông nghiệp, công nghiệp chế biến, an nình quốc phòng, ... Mặc dù công nghệ sinh học mang tính đột phá cũng được áp dụng cho các lĩnh vực khác, chẳng hạn như công nghiệp sản xuất hóa chất và xử lý sinh học, việc sử dụng trong các lĩnh vực này vẫn còn những chuyên biệt và hạn chế.

Mặt khác, ngành y tế, nông nghiệp và công nghiệp chế biến đã trải qua các cuộc cách mạng công nghệ sinh học. Điều này đã bao gồm những nỗ lực nghiên cứu và chương trình phát triển mới - và đôi khi gây tranh cãi. Các doanh nghiệp đã phát triển để tận dụng sự bùng nổ trong quá trình phát triển công nghệ sinh học. Các doanh nghiệp này đã xây dựng các chiến lược để khám phá, thay đổi hoặc sản xuất các phân tử sinh học, sinh vật mới thông qua các kỹ thuật sinh học.

Công nghệ sinh học đã được tiếp cận một cách hoàn toàn mới để phát triển thuốc mà không triển khai theo cách tiếp cận tập trung vào hóa học theo cách mà hầu hết các công ty dược đã sử dụng trước đây. Sự thay đổi này đã làm bùng nổ các công ty khởi nghiệp, bắt đầu từ việc thành lập Cetus (hiện là một phần của Novartis Diagnostics của Thụy Sĩ) và Genentech của Mĩ vào giữa những năm 1970.

Kể từ khi cộng đồng các nhà đầu tư mạo hiểm được thành lập đối với ngành công nghệ cao tại Thung lũng Silicon thì ngay từ ban đầu nhiều công ty về công nghệ sinh học cũng đã được hình thành và tập trung tại khu vực vịnh San Francisco, Mĩ. Trong nhiều năm qua, vô số công ty khởi nghiệp đã được thành lập để theo đuổi thị trường này.

Các trung tâm đổi mới được phát triển tại các thành phố như Seattle, San Diego, Công viên tam giác nghiên cứu Bắc Carolina, Boston và Philadelphia của Mĩ. Các trung tâm công nghệ sinh học quốc tế tại nhiều thành phố như Berlin, Heidelberg và Munich ở Đức; Oxford và Cambridge ở Anh; và Thung lũng Medicon ở miền đông Đan Mạch và miền nam Thụy Điển.

Công nghệ sinh học trong lĩnh vực y tế với doanh thu vượt quá 150 tỷ đô la hàng năm, nhận được phần lớn sự đầu tư trong các nghiên cứu về công nghệ sinh học. Tập trung vào việc nghiên cứu, tìm kiếm các loại thuốc, bắt đầu với các nghiên cứu cơ bản để xác định các gen hoặc protein liên quan đến các bệnh cụ thể, quan đó có thể được sử dụng làm thuốc và dấu hiệu chẩn đoán.

Sau khi tìm thấy gen hoặc protein mới, hàng nghìn loại hóa chất sẽ được sàng lọc để tìm ra các loại thuốc tiềm năng ảnh hưởng đến định hướng nghiên cứu này. Các hóa chất có thể hoạt động như một loại thuốc và sau đó sẽ được tối ưu hóa, kiểm tra các tác dụng phụ, độc tính và thử nghiệm lâm sàng.

Công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng ban đầu trong các giai đoạn nghiên cứu và sàng lọc thuốc. Hầu hết các công ty dược phẩm lớn đều triển khai các chương trình nghiên cứu, tìm kiếm chủ động các mục tiêu dựa vào công nghệ sinh học. Các công ty nhỏ hơn mới nổi như Exelixis, BioMarin Pharmaceuticals và Cephalon (được Teva Pharmaceutical tại Israel mua lại) tập trung vào việc tìm kiếm và phát triển thuốc bằng cách sử dụng các kỹ thuật độc quyền.

Ngoài việc phát triển thuốc trực tiếp, các công ty như Abbott Diagnostics và Becton, Dickinson and Company (BD) tại Mĩ còn tìm cách sử dụng các gen liên quan đến bệnh tật mới để tạo ra các chẩn đoán lâm sàng mới.

Nhiều thử nghiệm trong số này đã xác định được những bệnh nhân đáp ứng tốt nhất đối với các loại thuốc mới được đưa ra thị trường. Ngoài ra, việc hỗ trợ nghiên cứu các loại thuốc mới cũng đang được nhiều công ty nghiên cứu và cung cấp phòng thí nghiệm triển khai hoạt động cung cấp các bộ dụng cụ, thuốc thử và thiết bị cơ bản.

Ví dụ, các công ty như Thermo-Fisher, Promega tại Mĩ và nhiều công ty khác cung cấp các công cụ và thiết bị phòng thí nghiệm để nghiên cứu khoa học sinh học. Các công ty như Molecular Devices và DiscoveRx tại Mĩ cung cấp các tế bào, hệ thống phát hiện được thiết kế đặc biệt để sàng lọc các loại thuốc tiềm năng mới.

 Hầu hết các công ty dược phẩm lớn đều triển khai các chương trình nghiên cứu, tìm kiếm chủ động các mục tiêu dựa vào công nghệ sinh học. Ảnh: Công ty  Cổ phần Dược phẩm CPC1 Hà Nội l ứng dụng côn nghệ sinh học sản xuất thực phẩm chức năng

Công nghệ sinh học tương tự được sử dụng để phát triển thuốc cũng được ứng dụng để có thể cải thiện các sản phẩm nông nghiệp và sản phẩm thực phẩm. Tuy nhiên, không giống như trong lĩnh vực dược phẩm, kỹ thuật di truyền không tạo ra nhiều sự bùng nổ đối với các công ty khởi nghiệp về công nghệ sinh học nông nghiệp mới. Sự khác biệt chính là việc tạo ra bước tiến nhảy vọt về công nghệ nhưng việc ứng dụng công nghệ sinh học không làm thay đổi bản chất của ngành nông nghiệp.

Các thao tác để tối ưu hóa di truyền nhằm nâng cao hiệu quả, cải thiện sản lượng của cây trồng và vật nuôi đã diễn ra từ hàng nghìn năm. Nói một cách dễ hiểu, các kỹ thuật sinh học giúp cho con người các phương pháp mới tiện lợi hơn. Các công ty nông nghiệp như Dow và Monsanto (đã được Bayer mua lại) cũng chỉ tập trung vào việc ứng dụng công nghệ sinh học trong các chương trình R&D của họ.

Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực nông nghiệp được tập trung vào việc cải tiến cây trồng, đây là một lĩnh vực kinh doanh khá thành công. Kể từ khi ngô biến đổi gen đầu tiên được giới thiệu vào năm 1994, các loại cây trồng chủ lực như lúa mì, đậu tương và cà chua đã trở thành đối tượng được nghiên cứu, ứng dụng triển khai trong thực tế.

Hiện nay, hơn 90% ngô, đậu tương và bông trồng tại Hoa Kỳ được ứng dụng công nghệ sinh học trong quá trình biến đổi gen. Bên cạnh đó, việc sử dụng công nghệ sinh học để cải thiện vật nuôi cũng khá phổ biến.

Dolly, con cừu nhân bản đầu tiên, được tạo ra vào năm 1996. Kể từ đó, nhân bản động vật đã trở nên phổ biến hơn và động vật nuôi chuyển gen đang đang được tiếp tục tập trung nghiên cứu. Năm 2019, Công ty AquaBounty tại Mĩ (nuôi cá hồi biến đổi gen) đã nhận được sự chấp thuận từ FDA đối với việc xây dựng trụ sở tại Indiana và nhập khẩu trứng cá hồi đã qua xử lý kỹ thuật và sau đó nuôi làm thực phẩm ở Mỹ.

Mặc dù sinh vật biến đổi gen (GMO) đã gây ra nhiều tranh cãi trong những năm gần đây, nhưng công nghệ sinh học nông nghiệp đã trở nên khá nổi tiếng. Theo các cuộc họp giao ban mới nhất có sẵn từ dịch vụ quốc tế về tiếp thu các ứng dụng CNSH trong nông nghiệp, diện tích trồng cây biến đổi gen đạt 189,8 triệu ha trong năm 2017, tăng từ 185,1 triệu ha vào năm 2016.

Hiện nay, đa số quốc gia có nền công nghệ sinh học phát triển đều quan tâm tập trung vào công nghiệp sinh học, ứng dụng công nghệ sinh học để chế biến công nghiệp và sản xuất hóa chất, vật liệu và nhiên liệu. Công nghiệp sinh học trong lĩnh vực công nghiệp chế biến chủ yếu giúp chuyển hóa thành sinh khối, tái tạo thành các sản phẩm được sử dụng trong các ngành công nghiệp tiêu dùng, hóa chất hoặc năng lượng. Công nghiệp sinh học có thể giúp tiết kiệm năng lượng trong các quy trình sản xuất và có thể dẫn đến việc giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính, giúp chống lại sự nóng lên toàn cầu. Sử dụng công nghệ sinh học để thay thế các quy trình hiện có làm cho nhiều ngành công nghiệp này hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn, góp phần vào sự bền vững công nghiệp theo nhiều cách khác nhau. Công nghiệp sinh học giúp cải thiện hiệu suất và tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn.

Các sản phẩm dựa trên công nghiệp sinh học đã có mặt trên thị trường bao gồm sợi sinh học sử dụng trong cả ứng dụng xây dựng và gia dụng; nhựa phân hủy sinh học, nhiên liệu sinh học, enzyme công nghiệp (dùng như chất tẩy rửa hoặc trong chế biến thực phẩm và giấy). Các quy trình công nghệ sinh học cũng cho phép sản xuất một số loại kháng sinh, vitamin, axit amin và các hóa chất tốt khác.

Như vậy, có thể thấy công nghệ sinh học đang là một trong những định hướng phát triển công nghệ có nhiều đóng góp thiết thực vào sự phát triển chung của nền kinh tế thế giới cũng như góp phần vào quá trình chuyển dịch sang định hướng nghiên cứu, phát triển, ứng dụng công nghệ xanh, thân thiện với môi trường, sản xuất theo định hướng kinh tế tuần hoàn, phát triển bền vững trong định hướng phát triển của hầu hết các khu vực, các quốc gia trên thế giới.