Font Size

Profile

Layout

Direction

Menu Style

Cpanel

Tin Tức

Cơ sở dữ liệu gen chức năng cho các nghiên cứu vi khuẩn thực vật

  • PDF

Cơ sở dữ liệu gen chức năng cho các nghiên cứu vi khuẩn thực vật 

Khi dân số toàn cầu tăng lên, ước tính đạt gần 10 tỷ người vào năm 2050, do đó nhu cầu tăng năng suất cây trồng và sản xuất đủ nguyên liệu thực vật cho cả thực phẩm và nhiên liệu thay thế bền vững. Để giúp cải thiện chiến lược sản xuất cây trồng và vượt qua những thách thức như làm cho cây trồng thích ứng trong các vùng đất cận biên, và những hạn chế do hạn hán và nguồn dinh dưỡng thấp, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm hiểu và khuyến khích các mối quan hệ có lợi giữa cây trồng và vi sinh vật.

Xuất bản vào ngày 18 tháng 12 năm 2017 trong tạp chí Nature Genetics, nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại Viện Liên kết về gen (JGI) của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), Cơ quan sử dụng khoa học và Viện Y tế Howard Hughes thuộc Đại học North Carolina tại Chapel Hill (UNC) đã khai thác một danh mục bộ gen vi khuẩn để xác định và mô tả các gen ứng cử viên hỗ trợ vi khuẩn thích ứng với môi trường thực vật, đặc biệt là các gen tham gia vào quá trình hình thành vi khuẩn ở rễ cây.

Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực này cho đến nay đều tập trung vào cấu trúc cộng đồng của vi sinh thực vật, ví dụ như "ai ở đó", và ít quan tâm hơn về chức năng, nghĩa là "chúng đang làm gì, làm thế nào và khi nào chúng làm việc đó". Các nghiên cứu trước đây đã xem xét chức năng chủ yếu về sự tương tác giữa vật chủ và vi trùng, ví dụ như giữa cây Arabidopsis và một mầm bệnh.

Đồng tác giả Asaf Levy, một nhà nghiên cứu tại JGI, cho biết: "Nếu chúng ta muốn xây dựng mô hình vi sinh vật phù hợp để hỗ trợ cho sự phát triển của cây trồng, chúng ta cần phải hiểu được chức năng thực sự của vi sinh vật chứ không chỉ là đánh dấu trình tự gen. Ở đây chúng tôi đã sử dụng một nỗ lực lớn về di truyền và tính toán để giải quyết câu hỏi nền tảng và quan trọng: Làm thế nào mà vi sinh thực vật tương tác với cây?",

Hầu hết sự tương tác giữa các vi khuẩn và thực vật xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa rễ và đất. Các nhà nghiên cứu từ UNC, thuộc phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, và Viện Max Planck đã phân lập vi khuẩn mới xuất phát từ môi trường nuôi rễ của Brassicaceae (191), cây dương (135) và ngô (51). Bộ gen của 377 chủng vi khuẩn, cộng thêm 107 tế bào vi khuẩn đơn từ rễ cây A. thaliana, sau đó được sắp xếp, lắp ráp, và chú thích tại phòng thí nghiệm Viện JGI.

Các tác giả sau đó kết hợp các bộ gen mới với hàng ngàn bộ gen có sẵn công khai đại diện cho các nhóm vi khuẩn liên quan đến thực vật và bao gồm vi khuẩn từ nhiều môi trường thực vật và không phải thực vật, như ruột của con người để so sánh. Cơ sở dữ liệu của 3837 bộ gen, mà 1160 trong số đó là từ thực vật, được sử dụng trong phân tích gen.

Các nhà nghiên cứu sau đó đã xác định gen được làm giàu trong hệ gen của các sinh vật có liên quan đến thực vật và rễ.

"Điều rất quan trọng đối với chúng ta là hiểu những gen và chức năng mà vi khuẩn sử dụng để khu trú trong thực vật bởi vì chỉ khi đó chúng ta mới có cơ hội hoạch định hợp lý các 'probiotic thực vật' hữu ích giúp tăng thêm lương thực và cây cung cấp năng lượng với sự tam gia của phân bón và thuốc trừ sâu hoặc thuốc diệt nấm", Jeff Dangl, một nhà nghiên cứu của Viện Y học Howard Hughes, và giáo sư John N. Couch của Đại học North Carolina tại Chapel Hill phát biểu.

Trong số những thông tin chi tiết quan trọng thu được từ nghiên cứu này là bộ gen liên quan đến thực vật và đất có khuynh hướng trội hơn các gen kiểm soát từ cùng một bộ gen. Asaf Levy cho biết đây là một phần làm giàu các gen liên quan đến chuyển hóa và vận chuyển đường, có thể là sự thích nghi với cacbon thực vật có nguồn gốc từ quang hợp, được tạo ra bởi các "nhà máy kẹo" tự nhiên. Đến 20% lượng cacbon cố định bởi thực vật thông qua quá trình quang hợp được truyền qua rễ là các loại đường nhằm thu hút vi khuẩn.

Các gen khác dường như bắt chước các chức năng của thực vật bằng cách mã hoá “Tên giống cây trồng PA và RA” (PREPARADO). Dangl nói: "Người ta biết rằng mầm bệnh cây sử dụng các protein sao chép lãnh thổ cây trồng cần thiết đối với chức năng miễn dịch. "Hãy tưởng tượng rằng khi mầm bệnh xâm nhập trực tiếp vào tế bào thực vật, một protein mô phỏng một phần của bộ máy hệ thống miễn dịch đặc biệt. Nó giống như đưa bánh răng bị hỏng một phần vào bánh xe - các bánh xe không thể quay được. Các protein liên quan đến thực vật mà chúng tôi xác định có thể hoạt động theo cùng một cách”.

Gen phát triển nhanh thường là dấu hiệu của cuộc cạnh tranh phân tử giữa các sinh vật trong môi trường. Những gen này thường được sử dụng khi công kích hoặc chống cự với các sinh vật khác. Hai nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra hai dòng protein mới phát triển mạnh liên quan đến “cách sống" khác nhau của các vi khuẩn thực vật. Một dòng được tìm thấy trong vi khuẩn gọi là "Jekyll"; và dòng thứ hai được tìm thấy trong vi khuẩn gây bệnh, được đặt tên là "Hyde". Cùng các cộng tác viên từ Virginia Tech và ETH (Thụy Sĩ), các nhà khoa học của JGI đã khám phá ra rằng loại vi khuẩn này hoạt động hiệu quả trong việc tiêu diệt vi khuẩn cạnh tranh, có khả năng giúp các "Hyde" tiếp nhận ở vị trí thích hợp của lá.  Phòng Sáng kiến ​​và Hợp tác của Berkeley Lab (IPO) đã đệ đơn xin cấp bằng sáng chế cho việc phát hiện loại vi khuẩn này do cơ chế kháng khuẩn tiềm ẩn đối với việc kiểm soát mầm bệnh thực vật.

Danh mục đầy đủ các bộ gen mới và gen liên quan đến thực vật thông qua cổng thông tin được dành riêng được các nhà nghiên cứu gen gọi là: Các tính năng về Gen thích ứng giữa vi khuẩn  với cây trồng.

"Cơ sở dữ liệu là một nguồn tài nguyên quý giá cho các nhà khoa học nghiên cứu sự tương tác thực vật-vi sinh vật, nhằm xác định gen có tiềm năng liên quan trong mối tương tác với cây trồng - bao gồm nhiều gen hoàn toàn mới lạ. Chúng ta đang nghiên cứu thực nghiệm chức năng của những gen này để đạt được một sự hiểu biết tốt hơn về vi sinh thực vật", theo Levy

Biến đổi khí hậu hiện nay chưa từng có trong 100 triệu năm qua?

  • PDF

Biến đổi khí hậu hiện nay chưa từng có trong 100 triệu năm qua? 

Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một lỗ hổng trong cách ước tính nhiệt độ đại dương cho đến nay. Phát hiện của họ có thể có nghĩa là giai đoạn biến đổi khí hậu hiện tại chưa từng có trong 100 triệu năm qua.

Theo phương pháp được cộng đồng khoa học sử dụng rộng rãi, nhiệt độ ở dưới sâu đại dương và nhiệt độ của bề mặt đại dương ở cực cách đây 100 triệu năm trước cao hơn khoảng 15 độ so với hiện tại. Tuy nhiên, cách tiếp cận này hiện đang bị thách thức: nhiệt độ đại dương trên thực tế có thể vẫn tương đối ổn định trong suốt giai đoạn này, gây ra những lo ngại nghiêm trọng về mức độ biến đổi khí hậu hiện nay. Đây là những kết luận của một nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu Pháp thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS), Đại học Sorbonne và Đại học Strasbourg, và các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đến từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sỹ ở Lausanne (EPFL) và Đại học Lausanne.

Anders Meibom, Trưởng Phòng thí nghiệm Địa chất Sinh học tại EPFL và giáo sư tại Đại học Lausanne cho biết: “Nếu chúng tôi đúng thì nghiên cứu của chúng tôi sẽ thách thức hàng hập kỷ nghiên cứu về cổ khí hậu. Đại dương bao phủ 70% hành tinh của chúng ta, đóng vai trò quan trọng trong khí hậu Trái đất. Biết mức độ nhiệt độ của đại dương thay đổi theo thời gian địa chất ra sao là điều tối quan trọng nếu chúng ta muốn hiểu rõ hơn về cách đại dương hoạt động và dự đoán hậu quả của biến đổi khí hậu hiện nay chính xác hơn".

Phương pháp luận hiện tại có thể thiếu sót như thế nào? Các tác giả của nghiên cứu tin rằng ảnh hưởng của các quá trình nhất định đã bị bỏ qua. Trong hơn 50 năm, cộng đồng khoa học dựa trên ước tính của họ về những gì họ biết được từ hóa thạch của các sinh vật biển tí hon tìm thấy trong lõi trầm tích lấy từ đáy đại dương. Sự thay đổi nhiệt độ của đại dương theo thời gian được tính toán dựa trên hàm lượng oxy-18 của các test hóa thạch tìm thấy trong trầm tích. Các hóa thạch này hình thanh nên các vỏ đá vôi. Theo các số đo này, nhiệt độ đại dương đã giảm xuống 15 độ trong 100 triệu năm qua.

Tuy nhiên, tất cả những ước tính này dựa trên nguyên tắc rằng hàm lượng oxy-18 trong các test hóa thạch không đổi trong thời gian các  hóa thạch bị giữ trong trầm tích. Thật vậy, cho đến nay, chưa thấy có gì khác, cụ thể là: chưa có thay đổi nào có thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc dưới kính hiển vi. Để kiểm tra giả thuyết của mình, các tác giả của nghiên cứu gần đây nhất đã cho những sinh vật nhỏ bé này tiếp xúc với hiệt độ cao trong nước biển nhân tạo chỉ chứa oxy-18. Sử dụng máy đo quang phổ khối ion NanoSIMS - một dụng cụ dùng để phân tích các hóa chất quy mô nhỏ - họ uan sát thấy sự kết hợp oxy-18 trong các lớp vỏ đá vôi. Các kết quả cho thấy mức độ oxy-18 trong các test hóa thạch  thực sự có thể thay đổi mà không để lại dấu vết hữu hình, do đó thách thức độ tin cậy của việc sử dụng chúng làm nhiệt kế cho đại dương: "Thứ dường như là hóa thạch được bảo quản hoàn hảo trong thực tế là không. Điều này có nghĩa là các ước tính nhiệt độ thời xưa tạo ra cho đến nay là không chính xác", Sylvain Bernard, một nhà nghiên cứu tại CNRS ở Paris, và tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Đối với nhóm các nhà nghiên cứu ở Pháp và Thụy Sĩ, thay vì cho thấy nhiệt độ đại dương giảm dần dần trong 100 triệu năm qua, thì các phép đo này chỉ phản ánh sự thay đổi hàm lượng oxy-18 trong các test hóa thạch. Và sự thay đổi này dường như là kết quả của một quá trình được gọi là cân bằng lại: trong quá trình lắng đọng, nhiệt độ tăng từ 20 đến 30°C, làm cho các test hóa thạch cân bằng lại với nước xung quanh. Trong quá trình khoảng mười triệu năm, quá trình này có một tác động đáng kể đến các ước tính nhiệt độ cổ  xưa, đặc biệt là những ước tính dựa trên hóa thạch sống trong nước lạnh. Mô phỏng máy tính do các nhà nghiên cứu tiến hành cho thấy nhiệt độ cổ đại ở dưới sâu đại dương và ở bề mặt đại dương ở cực đã bị đánh giá quá cao.

 

Để giải quyết nạn đói hiệu quả, trước hết hãy kiểm tra thời tiết

  • PDF

Để giải quyết nạn đói hiệu quả, trước hết hãy kiểm tra thời tiết

Quá ít mưa hoặc quá nhiều mưa, thường là yếu tố tác động đến đói nghèo, dẫn đến dinh dưỡng kém và mất an ninh lương thực ở những người dễ bị ảnh hưởng. Theo một nghiên cứu mới cho thấy, lượng mưa cũng cung cấp các manh mối về cách giảm bớt tình trạng mất an ninh lương thực

Nghiên cứu này, được công bố trong Báo cáo khoa học, là nghiên cứu đầu tiên phân tích mối liên quan giữa mất an ninh lương thực ở các trang trại nhỏ ở Châu Phi và Châu Á và các kiểu mưa và một số can thiệp - từ đầu vào nông nghiệp cho tới thực hành nông nghiệp cho đến hỗ trợ tài chính – được thiết kế nhằm mục đích giải quyết vấn đề này.

Các trang trại nhỏ là những trang trại nhỏ có nguồn lực hạn chế, nguồn lao động là gia đình và sinh sống nhờ vào cây trồng. Có khoảng từ 460 đến 500 triệu trang trại nhỏ trên thế giới, trồng 80 phần trăm lương thực được tiêu thụ ở các nước có thu nhập thấp.

Nghiên cứu khảo sát kinh nghiệm của gần 2.000 trang trại nhỏ ở 12 quốc gia ở Tây Phi, Đông Phi và Châu Á.

Meredith Niles, một thành viên của khoa dinh dưỡng và khoa học thực phẩm thuộc Đại học Vermont, cho biết: "Bức tranh tổng quan là một chiến lược không thể phù hợp cho mọi nơi. Hiểu được bối cảnh khí hậu là rất quan trọng trong việc xác định can thiệp nào có hiệu quả nhất.

Các trang trại trong nghiên cứu được phân thành ba nhóm: nhóm nhận được lượng mưa ít hơn trung bình trong một năm nhất định so với trước đây, nhóm nhận được lượng mưa trung bình và nhóm nhận được nhiều hơn trung bình.

Các trang trại khô hạn hơn thì bị mất an ninh lương thực nhiều hơn, trung bình 3,81 tháng trong năm nghiên cứu; các trang trại trung bình ít hơn, 3,67 tháng, và các trang trại ẩm ướt thì ít hơn một chút, 2,86 tháng như dự kiến. Nhưng tất cả đều gặp phải tình trạng mất an ninh lương thực đáng kể. "Nghiên cứu khẳng định lại những gì chúng ta biết: mất an ninh lương thực là một vấn đề phổ biến ở những khu vực này", Niles nhận xét.

Tiền hay thuốc trừ sâu? Còn tùy

Nghiên cứu phát hiện ra rằng, việc các can thiệp khác nhau có liên quan đến an ninh lương thực tốt hơn hay không thì có liên quan về mặt thống kê với lượng mưa mà các trang trại nhận được trong năm trước đó.

Đối với trang trại khô hạn hơn mức bình quân, thì hỗ trợ tài chính - hay tiền mặt từ các doanh nghiệp khác, tiền cho vay hay tiền tài trợ - liên quan nhiều hơn đến an ninh lương thực được cải thiện.

Đối với các trang trại ẩm ướt hơn, thì đầu vào và thực hành nông nghiệp - bao gồm việc sử dụng thuốc trừ sâu, phân bón, thuốc thú y và gia súc - có liên quan nhiều nhất với sự gia tăng an ninh lương thực.

Đối với các trang trại có lượng mưa trung bình, thì cả hai chiến lược dường như có hiệu quả.

"Nước là yếu tố hạn chế cơ bản", Niles cho hay. "Nếu bạn không có nó, thì đầu vào nông nghiệp có thể không quan trọng. Những gì bạn cần, ít nhất là trong ngắn hạn, là tiền mặt".

Theo nghiên cứu, nguồn phân bón là một trong những hằng số giúp các trang trại giảm bớt tình trạng mất an ninh lương thực, bất kể lượng mưa họ nhận được là bao nhiêu.

Tài chính vi mô: một câu chuyện cảnh báo

Nghiên cứu này chẳng những chứng thực cho các chiến lược tài chính vi mô đã được áp dụng để giúp các trang trại ở Châu Phi và Châu Á mà còn là một câu chuyện cảnh báo rằng các chiến lược này có thể không phải là yếu tố quan trọng chung đối với các trang trại nhỏ bị mất an ninh lương thực.

Niles cho biết: "Chúng tôi không nhận thấy tác động của chiến lược tài chính trong các hộ gia đình ẩm ướt trong ngắn hạn. Nhưng những chiến lược tài chính này có vẻ đặc biệt quan trọng khi hạn hán và giảm lượng mưa làm ảnh hưởng đến sản xuất cây trồng và các nguồn thu nhập".

Biến đổi khí hậu làm tăng tầm quan trọng của việc can thiệp theo chiến lược

Niles cho rằng, vấn đề về can thiệp nào có tác dụng, can thiệp nào không có tác dụng thì đặc biệt quan trọng do biến đổi khí hậu. “Đa số các trang trại nhỏ sống phụ thuộc vào nền nông nghiệp nhờ vào mưa, vì vậy họ rất dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy nếu không có sự can thiệp thích hợp, thì những điều kiện này trong tương lai có thể làm trầm trọng thêm tình trạng mất an ninh lương thực".

Để có được kết luận này, nghiên cứu đã phân tích chéo hai bộ dữ liệu, một khảo sát nông dân trạng trại nhỏ và 30 năm số liệu về lượng mưa cho từng địa điểm hộ gia đình trong cuộc khảo sát sử dụng tọa độ GPS.

Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc, an ninh lương thực tồn tại khi tất cả mọi người, tại mọi thời điểm, có khả năng tiếp cận về mặt thể chất, xã hội và kinh tế với đủ lượng thực phẩm an toàn và dinh dưỡng, đáp ứng nhu cầu ăn uống và sở thích về thức ăn để có được một cuộc sống khỏa mạnh và năng động.

 

Tảo có khả năng nuôi sống và cung cấp nhiên liệu cho hành tinh nhờ có một công nghệ cao mới

  • PDF

Tảo có khả năng nuôi sống và cung cấp nhiên liệu cho hành tinh nhờ có một công nghệ cao mới

Theo một nghiên cứu của trường Đại học Edinburgh, số lượng lớn thuốc và nhiên liệu tái tạo có thể được sản xuất từ tảo bằng cách áp dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen mới. Kết quả nghiên cứu sẽ cho ra đời những phương thức chi phí thấp, thân thiện với môi trường để sản xuất các sản phẩm cho ngành công nghiệp mỹ phẩm, nhựa và thực phẩm.


Tảo được đánh giá cao về khả năng sản xuất các sản phẩm hữu ích, nhưng theo các nhà khoa học, thiếu các công cụ kỹ thuật đã cản trở việc thực hiện nghiên cứu cơ bản và sự phát triển của ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ qua.

Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Edinburgh đã tìm cách cải thiện hiệu quả chỉnh sửa gen để tăng năng suất của các sản phẩm hiện được sản xuất từ tảo, bao gồm một số loại thực phẩm bổ sung. Bước tiến này cũng có thể cho phép tảo tạo ra các sản phẩm mới như thuốc.

Kỹ thuật sử dụng các phân tử đóng vai trò như kéo cắt ADN, còn được gọi là phân tử CRISPR, cho phép các nhà nghiên cứu bổ sung những gen mới hoặc biến đổi các gen hiện có. Cho đến nay, các nhà khoa học đã nỗ lực để phát triển một kỹ thuật hoạt động hiệu quả ở tảo.

Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã bổ sung trực tiếp kéo phân tử CRISPR và các đoạn ADN ngắn vào các tế bào tảo để thực hiện những chỉnh sửa cần thiết cho mã di truyền. Phương pháp mới cụ thể hơn và mang lại tăng hiệu quả cao gấp 500 lần so với các kỹ thuật trước đây. Phát hiện này có thể mở ra tiềm năng cho ngành công nghiệp tảo toàn cầu, ước tính sẽ đạt giá trị lên tới 1,1 tỷ USD vào năm 2024.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật có khả năng hoạt động ở loài tảo nổi tiếng được gọi là Chlamydomonas reinhardtii. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để tạo ra các cây trồng tăng năng suất, cải thiện khả năng chống sâu bệnh hoặc cho phép cây trồng phát triển mạnh trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Nghiên cứu đã được nhận tài trợ của Hội đồng Nghiên cứu Công nghệ sinh học và Khoa học sinh học và Công ty Năng lượng sinh học Scotland. Mới đây, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học quốc gia Hoa Kỳ.

TS. Attila Molnar, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: "Phát hiện của chúng tôi đánh dấu bước tiến quan trọng trong kỹ thuật điều chỉnh bộ gen tảo trên quy mô lớn. Kỹ thuật có thể được áp dụng cho nhiều loài và mở đường cho việc phát triển loại tảo được thiết kế cho nhiều ứng dụng công nghệ sinh học”.

 

Ý tưởng siêu thực vật được trao giải Oscar khoa học trị giá 3 triệu USD

  • PDF

Ý tưởng siêu thực vật được trao giải Oscar khoa học trị giá 3 triệu USD 

Bà Joanne Chory hi vọng, những cánh đồng với giống cây trồng mới có khả năng chống chịu lại hán hán và lũ lụt của bà có thể là nguồn cung cấp lương thực dồi dào cho thế giới trong tương lai.

Số tiền nhà khoa học Joanne Chory nhận được nằm trong Giải thưởng đột phá năm 2018 về khoa học đời sống. Đây là một giải thưởng danh giá được trao hàng năm cho các nhà khoa học do những người đứng đầu Thung lũng Silicon tạo lập, họ gồm cả Sergey Brin - đồng sáng lập Google và nhà phát triển Facebook - Mark Zuckerberg.

Giải thưởng này được xem như là "Giải Oscar của khoa học". Được khởi động vào năm 2012, giải thưởng nhằm cổ vũ cho những tiến bộ khoa học trong các lĩnh vực như khoa học đời sống, vật lý cơ bản và toán học. Bà Chory đã giành được giải thưởng cho nghiên cứu mà bà đã miệt mài thực hiện trong suốt 30 năm qua. Nghiên cứu nhằm tìm ra những phương pháp mới giúp cây trồng phát triển khỏe mạnh hơn.

Hiện tại, bà đang tìm cách tạo ra một loại cây lá xanh có thể cung cấp thực phẩm cho cả hành tinh và có khả năng hút carbon dioxide ra khỏi không khí để chống lại sự thay đổi khí hậu. Nhà khoa học Chory hy vọng, loại cây có khả năng chống chịu hạn hán và lũ lụt này có thể được trồng làm thực phẩm. Hơn nữa, chúng còn có thể hấp thu lượng carbon gấp 20 lần so với những loài thực vật lâu năm. "Nó sẽ có vị tương tự như đậu gà", bà nói.

Bà Chory ước tính rằng sẽ mất khoảng mười năm và 50 triệu USD để hiện thực hóa loài cho thực vật giàu protein này. Nhưng thời gian của chúng ta đang cạn dần: các nhà khoa học khí tượng đều cho rằng, vào cuối thế kỉ Trái Đất sẽ nóng lên ít nhất 2 độ C - so với thời kỳ tiền công nghiệp.

"Thế giới của chúng ta đang ở ngã tư đường. Chúng ta cần phải làm gì đó càng sớm càng tốt, để ngăn chặn hiện tượng nóng lên toàn cầu”, bà Chory phát biểu ở Palo Alto sau khi bà đoạt giải.

Ý tưởng về một loài thực vật có khả năng hấp thụ carbon của nhóm nghiên cứu dựa trên một loại polymer gọi là Suberin. Suberin được biết đến giống một loại chất liệu làm nút chai. Suberin có thể hấp thụ và giữ lại carbon trong hàng trăm, thậm chí đến hàng ngàn năm ở trong đất mà không xảy ra hiện tượng phân hủy sinh học. Do đó, một cái cây lâu năm có chứa Suberin có thể làm sạch không khí và cung cấp nhiều oxy hơn vào bầu khí quyển. Điều đặc biệt, rễ của loại này có khả năng chống chịu lại lũ lụt và hạn hán, bà Chory cho biết thêm. 

Trước đây, bà Chory đã tìm ra cách mới để phát triển các chồi cây đột biến mà không cần đến ánh sáng. Bà đã làm cho một số cây trồng phát triển cao hơn khi ở trong bóng râm, bằng cách cho hạt của chúng tiếp xúc với những hóa chất làm biến đổi AND. Từ đó, bà phát hiện ra một loại hormone thực vật mới gọi là “brassinosteroids”. Những nghiên cứu khác của bà cũng giúp tạo ra nhiều giống cây trồng có khả năng chống lại mầm bệnh và phát triển trong các điều kiện khắc nghiệt.

Để giống cây trồng mới thực hiện được chức năng của mình, bà Chory ước tính rằng phải cần đến 5% diện tích đất trồng trọt của thế giới, tương đương diện tích Ai Cập. Với diện tích này, giống cây trồng mới có thể hấp thụ 50% mức phát thải CO2 toàn cầu hiện nay do con người tạo ra.

Mặc dù chỉ là ý tưởng nhưng Chory cho rằng chiến lược này có thể tốt hơn so với việc cố gắng làm giảm lượng khí thải CO2 theo những cách khác. “Tôi sống ở Nam California và không ai ở đây tin lượng carbon có thể giảm xuống tận 50% - kể cả bản thân tôi", bà nói.

Chory tự nhận mình không phải là người thật sự giỏi trong việc trồng trọt, nhưng bà hy vọng với nhiều giống thử nghiệm và những thất bại gặp phải, bà sẽ đưa ra phương pháp mới để cải thiện môi trường mà không cần thay đổi lối sống hiện tại của bà ở California

 

Chiến lược hai bên cùng có lợi cho khí hậu và an ninh lương thực

  • PDF

Chiến lược hai bên cùng có lợi cho khí hậu và an ninh lương thực

Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Environmental Research Letters, các chính sách khí hậu hướng tới nông nghiệp và rừng có thể làm tăng giá lương thực, nhưng giảm nạn phá rừng và gia tăng lượng hấp thụ cacbon đất trong nông nghiệp có thể làm giảm đáng kể phát thải khí nhà kính trong khi tránh nguy cơ ảnh hưởng đến an ninh lương thực.

Khi các quốc gia tìm cách giảm phát thải khí nhà kính, nhiều nước lại khai thác tiềm năng rừng và trang trại của họ. Khu vực sử dụng đất, bao gồm nông nghiệp và lâm nghiệp, đóng góp khoảng 25% lượng phát thải khí nhà kính gây ra bởi con người, góp phần làm thay đổi khí hậu. Đồng thời, thực vật, bao gồm cả đất tự nhiên cũng như nông nghiệp, lấy khí CO2 từ khí quyển và giữ lại trong sinh khối và trong đất.

Nhà khoa học IIASA, Stefan Frank, người đứng đầu cuộc nghiên cứu, giải thích: "Khu vực sử dụng đất là chìa khóa cho việc giảm nhẹ biến đổi khí hậu thành công. "Nhưng việc cung cấp một lượng sinh khối ngày càng tăng để sản xuất năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm phát thải từ khu vực sử dụng đất, ví dụ như thông qua thuế cacbon, cũng có thể ảnh hưởng đến việc tăng giá lương thực và giảm sự sẵn có của thực phẩm".

Trong nghiên cứu này, Frank và các đồng nghiệp đã khảo sát tác động của các chính sách giảm nhẹ khí hậu đối với giá lương thực. Họ đã kiểm tra tác động tiềm tàng của cả hành động toàn cầu, đại diện bởi một khoản thuế cacbon, và các chính sách khu vực và quốc gia.

Nghiên cứu cho thấy một mục tiêu giảm nhẹ nghiêm ngặt cho ngành nông nghiệp và lâm nghiệp có thể dẫn đến tăng giá lương thực và giảm sản xuất lương thực. Mặc dù các chính sách giảm thiểu phối hợp trên toàn cầu có hiệu quả hơn các chính sách khu vực hoặc quốc gia, cả về giảm phát thải và an ninh lương thực, vẫn có những tác động tiêu cực đến an ninh lương thực. Nghiên cứu này trình bày hai chiến lược có thể mang lại lợi ích cho khí hậu đồng thời duy trì được an ninh lương thực: giảm nạn phá rừng và gia tăng hấp thụ cacbon trong đất.

Giảm nạn phá rừng không phải là một giải pháp phù hợp với tất cả các giải pháp

Nghiên cứu cho thấy ở các quốc gia có nhiều đất và tỷ lệ phát thải từ thay đổi sử dụng đất cao như Brazil hoặc các nước Lưu vực Congo có tiềm năng phục hồi rừng lớn và ngăn chặn nạn phá rừng. Tuy nhiên, ở các nước có mật độ dân số cao hơn với nông nghiệp thâm canh phát thải như Trung Quốc và Ấn Độ, những nỗ lực nghiêm ngặt để giảm phát thải nông nghiệp có thể dẫn tới những tác động đáng kể đến an ninh lương thực, trong khi không tạo ra những lợi ích lớn về khí hậu do rò rỉ khí thải. Rò rỉ phát thải có nghĩa là phát thải được tiết kiệm do chính sách trong một quốc gia sẽ được thay thế bằng lượng phát thải bổ sung ngoài nước.

Frank nói: "Ở một số nước, việc ngăn chặn nạn phá rừng có thể làm giảm lượng phát thải lớn chỉ với một ảnh hưởng cận biên đối với sự sẵn có của lương thực. Ở những nơi như Trung Quốc và Ấn Độ, cần tập trung vào việc hấp thụ cacbon hữu cơ trong đất và những lựa chọn có lợi cho cả hai bên để giảm cường độ phát thải trong nông nghiệp".

Tăng hấp thụ cacbon trong đất

Một số hoạt động canh tác, như canh tác mùa màng, che phủ và quản lý dư lượng, có thể bảo tồn lượng cacbon lớn chứa trong đất. Nó chỉ ra rằng điều này cũng thường dẫn đến năng suất cây trồng lớn hơn.

Frank nói: "Bạn giữ cho đất khỏe, bạn sẽ bù đắp lượng phát thải khí nhà kính, và bạn vẫn giữ được năng suất cây trồng cùng một lúc. Thực tế, theo chính sách giá cacbon, các biện pháp hấp thụ cacbon trong đất thậm chí có thể cung cấp thêm thu nhập cho nông dân khi họ được trả tiền cho việc có bể chứa cacbon.

Tùy thuộc vào thiết kế chính sách khí hậu, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng sự hấp thụ cacbon trong đất trên đất nông nghiệp có thể làm giảm mức khí nhà kính trong khu vực sử dụng đất tương đương với mức chi phí calo thấp hơn đáng kể so với chính sách không xem xét đến tiềm năng hấp thu cacbon đất, hoặc thậm chí làm giảm khí nhà kính ở mức cao hơn và lợi ích rõ ràng ít hơn đối với an ninh lương thực. Nghiên cứu ước tính rằng việc gia tăng hấp thụ cacbon trong đất có thể làm giảm tới 3,5 GtCO2 (7% tổng lượng phát thải năm 2010) và có thể làm giảm tới 65% các tác động về an ninh lương thực của thuế cacbon so với kịch bản không có ưu đãi hấp dẫn của hấp thụ cacbon đất.

Jean-Francois Soussana, đồng tác giả của nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia Pháp (INRA) cho biết: "Nghiên cứu này cho thấy vai trò quan trọng của việc hấp thụ cacbon hữu cơ trong đất nhằm đảm bảo an ninh lương thực theo các kịch bản khí hậu ổn định. "Đất nông nghiệp có thể cung cấp một giải pháp then chốt cho việc giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu và an ninh lương thực, nhưng thay đổi việc quản lý đất đai để lưu giữ cacbon trong chất hữu cơ đất sẽ đòi hỏi những nỗ lực lớn có thể được tạo điều kiện bởi các nền tảng đa bên liên quan như sáng kiến 4/1000"

 

Công nghệ nhiên liệu sinh học: Dầu diesel sinh học từ sinh khối, Butanol sinh học và nhiên liệu sinh học drop-in

  • PDF

Công nghệ nhiên liệu sinh học: Dầu diesel sinh học từ sinh khối, Butanol sinh học và nhiên liệu sinh học drop-in 

Dầu diesel sinh học đã và đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới, đặc biệt ở châu Âu. Hầu hết dầu diesel sinh học hiện nay có nguồn gốc từ dầu thực vật như hạt cải dầu, đậu nành, dầu cọ, dầu ăn đã qua sử dụng bị bỏ đi từ các nhà hàng, và chất béo động vật. Dầu diesel sinh học thường được pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường ở mức nồng độ thấp do dầu diesel sinh học tinh khiết có xu hướng đông đặc hoặc ở dạng gel ở nhiệt độ thấp. Neste Oil của Phần Lan đã sản xuất ra một sản phẩm nâng cao (diesel tái tạo NExBTL) có thể được sử dụng để trộn ở bất kỳ mức nồng độ nào.

Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển công nghệ diesel sinh học-xenlulo sử dụng nguyên liệu sinh khối và không phụ thuộc vào cây lương thực. Choren Industries GmbH, với sự hợp tác từ Shell và các đối tác khác, đã xây dựng một quy trình biến sinh khối thành chất lỏng bao gồm quá trình khí hóa sinh khối ở nhiệt độ cao, tiếp theo là quá trình xúc tác để tạo ra diesel sinh học tổng hợp, sạch và chất lượng cao. Quy trình Carbo-V của Choren chuyển đổi hơn 50% nguyên liệu sinh khối gỗ, trong khi quy trình xử lý diesel sinh học thông thường chuyển đổi chưa đến 10% khối lượng các cây khô. Năm 2008, Choren đã chạy thử 1 nhà máy thí điểm sinh khối thành chất lỏng lớn ở Freiberg, Đức và đang nghiên cứu tính khả thi của các cơ sở quy mô lớn hơn.

Butanol sinh học

Butanol sinh học là một nhiên liệu sinh học mới chưa được thương mại hóa. Butanol sinh học trở nên nổi tiếng rộng rãi trong năm 2006 khi BP và DuPont công bố kế hoạch sản xuất thương mại bằng cách áp dụng quá trình lên men. Hầu hết các butanol (sử dụng trong hóa chất) hiện nay là từ các nguyên liệu hóa dầu. Butanol có nhiều ưu điểm hơn ethanol, gồm mật độ năng lượng cao hơn và không thể pha với nước, cho phép pha trộn dễ dàng hơn với xăng và nhiên liệu khác. Quy trình sản xuất butanol sinh học vẫn còn ở quy mô phòng thí nghiệm hay giai đoạn phát triển thí điểm ban đầu. Tuy nhiên, dữ liệu được công bố về các sinh vật sản sinh ra butanol cho thấy năng suất tương đối thấp so với sản xuất ethanol thông qua lên men. Công ty nhiên liệu sinh học BP-DuPont và một số công ty khác đang nghiên cứu để phát triển và thương mại hóa công nghệ butanol sinh học mới sử dụng chất xúc tác sinh học và vi khuẩn độc quyền. Ban đầu, các nhà phát triển sẽ sử dụng các loại cây trồng thực phẩm nông nghiệp làm ethanol như ngô, lúa mì, củ cải đường, sắn và mía. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse được lên kế hoạch cho sau này và đòi hỏi phát triển công nghệ hơn nữa.

Nhiên liệu sinh học drop-in

Kể từ giữa những năm 2000, nhiều nhà phát triển và các nhà đầu tư nhiên liệu sinh học tiên tiến đã chuyển trọng tâm chú ý của mình sang nhiên liệu sinh học drop-in thế hệ thứ 3 có tiềm năng năng lượng cao hơn so với ethanol hay butanol sinh học và có thể pha trộn với nhiên liệu dầu mỏ thông thường theo tỷ lệ cao mà không cần thay đổi hạ tầng nhiên liệu giao thông hiện có. Ngược lại, ethanol không thể pha với xăng tại các nhà máy lọc dầu hoặc vận chuyển bằng đường ống dẫn. Thay vào đó, ethanol thường được vận chuyển bằng đường sắt hoặc đường xe tải và pha với xăng tại các điểm phân phối gần người dùng cuối, làm tăng thêm chi phí và có thể gây sức ép lên các hệ thống phân phối. Các công nghệ drop-in bao gồm hydrocarbon tái tạo được sản xuất từ tảo biển và các quy trình tiên tiến chuyển đổi đường thực vật thành hydrocarbon. Tuy nhiên, các công nghệ này chưa hoàn thiện và chi phí còn cao. Nhiều nhà phát triển ban đầu hướng tới các thị trường nhiên liệu, hóa chất có giá trị cao hơn chứ không nhắm tới thị trường nhiên liệu hàng hóa.

Nhiên liệu sinh học từ tảo. Tảo là nguồn giàu nhiên liệu sinh học và đã trở thành chủ đề nghiên cứu mạnh và mối quan tâm của các nhà đầu tư. Các công nghệ dựa vào tảo mang lại những lợi ích lớn như năng suất rất cao, khả năng sử dụng đất cằn cỗi, không thích hợp để trồng trọt và các nguồn nước khác nhau – nước ngọt, mặn và nước thải, và tiềm năng để tái chế khí carbon dioxide và các chất thải khác. Hơn 50% tảo có thể chứa dầu sinh học có thể được sử dụng để làm nhiên liệu sinh học drop-in thay thế diesel, xăng, nhiên liệu hàng không, và các sản phẩm đặc biệt. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là lực lượng đóng vai trò quan trọng trong phát triển dầu sinh học gốc tảo từ năm 1978 đến năm 1996. Công việc chấm dứt bởi giá dầu thô quá thấp để nhiên liệu từ tảo có thể cạnh tranh, nhưng Chương trình Loài thủy sản của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ đã cho thấy hiệu suất ấn tượng, với năng suất tảo quang hợp hơn 10 tấn khô/mẫu Anh trong hệ thống ao mở.

Lộ trình phát triển nhiên liệu sinh học từ tảo mới nhất của DOE được xuất bản vào năm 2010 chỉ ra rằng chương trình NC&PT có thể giúp tính kinh tế nhiên liệu từ tảo trở nên cạnh tranh trong vòng 10 năm, mặc dù khoảng thời gian đó có thể là lạc quan. Những thách thức kỹ thuật chủ yếu từ sinh học tảo cơ bản đến canh tác đến sản xuất và nâng cao quy mô quá trình tổng hợp. Kỹ thuật sinh học tổng hợp giúp giảm chi phí nhiên liệu sinh học từ tảo bằng cách thay đổi cách vi tảo sử dụng ánh sáng và nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu của chúng. Tuy nhiên, việc nuôi trồng và thu hoạch tảo có phần phức tạp. Phương pháp tiếp cận công nghệ bao gồm việc trồng tảo quang hợp trong ao mở rộng, phát triển gen tảo trong môi trường phản ứng sinh quang đi kèm, và nuôi cấy tảo biến đổi gen có thể tiêu thụ đường bên trong thùng lên men tối. Mỗi phương pháp đều có nhược điểm. Ví dụ trong môi trường ao mở, chuỗi tảo dại từ môi trường có thể chèn lấn các chuỗi tảo có năng suất cao, và tảo tăng trưởng cao trong phản ứng sinh học kín có thể quá nóng. Sản xuất tảo tiêu thụ nhiều năng lượng - các công nghệ thường sản xuất nhiên liệu sinh học gián tiếp bằng phát triển sinh khối tảo; sau đó thu hoạch, khử nước, và chiết xuất dầu; và sau đó chế biến dầu thành dầu diesel sinh học hoặc sản phẩm nhiên liệu khác. Các nhà nghiên cứu cũng cần phải hiểu rõ hơn và kiểm soát chi phí cao liên quan đến nước. Tảo có thể phát triển trong nước thải, nhưng mầm bệnh tiềm ẩn có thể làm tảo và công nghệ xử lý nước rất tốn kém. Đối với tùy chọn ao mở, cần lượng lớn nước sạch để bổ sung lượng nước đã bốc hơi tránh các chất ô nhiễm tập trung.

Một số nhà đầu tư đã bắt đầu đặt câu hỏi liệu nhiên liệu sinh học từ tảo sẽ có hiệu quả kinh tế. Công ty phát triển công nghệ sinh học tảo Solazyme có trụ sở tại California đã thành công trong việc giảm chi phí sản xuất đáng kể bằng cách nuôi trồng tảo trong bể lên men không có ánh sáng mặt trời bằng cách cho chúng ăn đường - một nguồn năng lượng tập trung cho phép tảo phát triển nhanh chóng. Solazyme nhận được đơn đặt hàng từ Hải quân Hoa Kỳ vào cuối năm 2010 cung cấp 150.000 gallon nhiên liệu sinh học gốc tảo.

Hydrocarbon tái tạo. Công ty Hệ thống năng lượng tại Wisconsin đã phát triển công nghệ mới - Quy trình BioForming (hình thành sinh học) - để tạo ra hydrocarbon tái tạo từ nguyên liệu sinh học. Quá trình này chuyển đổi đường thực vật thành "xăng sinh học" (biogasoline) sử dụng chất xúc tác thay đổi hóa chất. Virent tuyên bố rằng hiệu suất biogasoline tương tự như xăng dầu mỏ. Công ty bắt đầu vận hành một nhà máy vào năm 2010 sử dụng nguyên liệu nhiên liệu sinh học thông thường như củ cải đường. Virent cũng chỉ ra rằng nó có thể chuyển đổi sinh khối xenlulô bao gồm thân cây ngô và phế thải cây thông thành biogasoline.

Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển vi sinh vật "thiết kế" kỹ thuật cao bằng cách sử dụng các công nghệ nền tảng sinh học tổng hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học drop-in hydrocarbon tái tạo. Những công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm.

Quang hợp nhân tạo

Các nhà nghiên cứu đang ở trong giai đoạn đầu của việc phát triển công nghệ mới hoàn toàn để tạo ra nhiên liệu lỏng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide - tương tự như quang hợp ở thực vật. Mặc dù vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, nhưng công nghệ này có tiềm năng lâu dài để thay thế việc sử dụng các loại nhiên liệu sinh khối và do đó để dành đất nông nghiệp cho sản xuất thực phẩm. Một báo cáo năm 2008 của Ủy ban tham vấn khoa học năng lượng cơ bản của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ xác định công nghệ sản xuất nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời là mục tiêu chiến lược quan trọng để giúp Hoa Kỳ khỏi phụ thuộc vào dầu mỏ và hạn chế lượng khí thải carbon dioxide. Mục đích cuối cùng của quang hợp nhân tạo là để sản xuất lượng lớn nhiên liệu dễ dàng lưu trữ, vận chuyển và sử dụng như các nhiên liệu giao thông dựa trên dầu mỏ hiện nay.

 

Vai trò của công nghệ nano trong cách mạng công nghiệp 4.0

  • PDF

Vai trò của công nghệ nano trong cách mạng công nghiệp 4.0 

Ứng dụng in 3D có thể mang đến lợi thế cho việc lắp ráp ở kích cỡ nano như nhanh hơn, ít hao phí hơn. Và với công nghệ in 3D ngày càng phát triển thì người ta có thể làm những điều mà ngành sản xuất truyền thống không làm nổi ở kích cỡ nano.

Định nghĩa: công nghệ nano là gì?

Theo tổng hợp trên Wikipedia, công nghệ nano (nanotechnology) được định nghĩa là chuyên ngành về vật liệu ở kích thước nhỏ cỡ nguyên tử, phân tử và siêu phân tử. Định nghĩa cụ thể hơn về công nghệ nano được đưa ra bởi Hiệp hội Công nghệ nano Hoa Kỳ (NNI), theo đó công nghệ nano là chuyên ngành về vật liệu có kích cỡ tối thiểu từ 1 đến 100 nanomét (1 tỷ nanomét mới bằng 1 mét).

Trong tiếng Anh, nanotechnology thường được dùng ở dạng số nhiều để bao hàm vùng nghiên cứu và ứng dụng rộng lớn với đặc tính chung về kích cỡ như trên, bao gồm sinh học phân tử, linh kiện bán dẫn, lưu trữ năng lượng, lắp ráp.

Trong các quảng cáo tủ lạnh chúng ta vẫn thường nghe thấy công nghệ Silver Nano hay Nano Bạc, là hệ thống được trang bị một lớp tráng với các hạt ion bạc Ag+ có khả năng kháng khuẩn vô cùng mạnh mẽ, ngăn chặn sự hình thành và phát triển của các vi khuẩn gây hại có trong thực phẩm, bảo vệ tối ưu cho sức khỏe.

Nhưng đó chỉ là dấu hiệu sơ khai của công nghệ nano. Nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Trung tâm Florida mới đây đã tạo ra các siêu tụ điện với lõi một chiều làm từ những sợi dây nano bằng Wolfram Trioxide (WO3) đơn tinh thể mật độ cao, bọc bên ngoài là lớp vỏ hai chiều bằng Wolfram Disulfide (WS2), hai thành phần này chỉ cách nhau bằng một khoảng cách dưới nanomet.

Dạng siêu tụ điện dây nano này sẽ giải quyết được vấn đề về kích thước của siêu tụ điện thông thường, vốn có lợi thế đáng kể so với pin lithium-ion ngoại trừ kích cỡ cần quá lớn. Với siêu tụ điện dây nano, chúng ta có thể đặt hàng triệu sợi dây nano trên cùng một kích thước của những viên pin trong smartphone.

Một chiếc tụ điện được tạo ra từ hàng triệu sợi dây nano này sẽ có những đặc tính lý tưởng để thay thế cho các viên pin lithium-ion. Ví dụ, chúng có thể sạc và xả điện với tốc độ nhanh đáng kể.

Lợi thế khác là các siêu tụ điện dây nano này không bị chai giống như pin lithium-ion. Một viên pin lithium-ion trung bình có tuổi thọ từ 1.000 đến 1.500 chu kỳ nạp xả, trong khi đó các siêu tụ điện nano không cho thấy sự suy giảm nào về hiệu suất sau khi trải qua 30.000 chu kỳ nạp xả.

Nếu tất cả những điều trên là chưa đủ thì các siêu tụ điện này còn có một ưu điểm khác, chúng được đặt trên một chất nền linh hoạt, vì vậy có thể được chế tạo theo các hình thù mong muốn hoặc đưa vào trong các thiết bị đeo.

Đó là công nghệ pin, còn trong y học công nghệ nano cũng có những ứng dụng to lớn. Với căn bệnh ung thư, thông thường sau khi phẫu thuật người ta sẽ tiến hành hóa trị hoặc xạ trị để loại bỏ hoàn toàn các tế bào ung thư còn sót lại. Tuy nhiên những năm gần đây, các nhà vật lý và khoa học có vẻ đã đi tìm lời giải tốt hơn cho bài toán này ở công nghệ nano.

Một trong những phương pháp mới được phát triển bởi các nhà khoa học tại trường Đại học Rice ở Houston, Texas, Mỹ cho thấy, các cụm nguyên tử vàng có thể cung cấp một loại "vũ khí" hữu dụng để chống lại các tế bào ung thư.

Thông thường, các khối u rắn thường có các mạch máu rò rỉ. Do đó, khi các hạt nano vàng được tiêm vào máu, chúng sẽ đi qua các lỗ mạch bị mở này và vào bên trong khối u. Khi các tế bào ung thư phát triển chúng sẽ bao phủ các hạt nano vàng này.

Tuy nhiên, sau khi đã vào được bên trong, các hạt nano này sẽ giống như những chú ngựa Trojan. Khi các nhà khoa học đốt nóng các hạt nano vàng đã được tiêm vào máu, các hạt này sẽ nóng lên đồng thời tiêu diệt các tế bào ung thư.

Những ví dụ trên cho thấy một phần rằng công nghệ nano có thể tạo ra rất nhiều các vật liệu và thiết bị mới với vô vàn ứng dụng trong y học, điện tử, sinh học, mỹ phẩm và các sản phẩm tiêu dùng...

Mặt khác giới khoa học cũng đang tranh cãi về tương lai ảnh hưởng của công nghệ nano, cụ thể công nghệ nano tạo ra lo ngại với các vấn đề giống như nhiều công nghệ mới khác, bao gồm mối lo về nhiễm độc và ảnh hưởng môi trường bởi vật liệu nano. Vì thế trên thế giới cũng đang có ý kiến nên ban hành quy chế đặc biệt cho công nghệ nano.

Xu hướng công nghệ nano có thể tạo ra rất nhiều các vật liệu và thiết bị mới với vô vàn ứng dụng trong y học, điện tử, sinh học, mỹ phẩm và các sản phẩm tiêu dùng... (ảnh minh họa).

Vai trò của công nghệ nano trong cuộc cách mạng 4.0

Klaus Schwab, người sáng lập và chủ tịch điều hành Diễn đàn Kinh tế Thế Giới WEF định nghĩa về Cách mạng công nghiệp 4.0 như sau: "Nếu như Cách mạng công nghiệp đầu tiên sử dụng năng lượng nước và hơi nước để cơ giới hóa sản xuất; cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 2 diễn ra nhờ ứng dụng điện năng để sản xuất hàng loạt; cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 3 sử dụng điện tử và CNTT để tự động hóa sản xuất; thì bây giờ cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang nảy nở từ cuộc cách mạng lần 3, nó kết hợp các công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số và sinh học".

Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, tiến bộ công nghệ sẽ tạo ra sự kết nối giữa thế giới thực, thế giới số và thế giới sinh vật hữu cơ... tạo ra những công cụ sản xuất hội tụ giữa thực và ảo. Những thành phần điển hình của nền công nghiệp 4.0 được người ta điểm tên thường bao gồm công nghệ Internet Vạn vật (IoT), thành phố thông minh, trí tuệ nhân tạo, xe tự lái, robot, máy in 3D, vật liệu mới, công nghệ sinh học, và công nghệ nano.

Với công nghệ nano, tương lai sẽ có những linh kiện điện tử kích cỡ nano. Bên cạnh đó công nghệ nano trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 cũng đóng vai trò hết sức quan trọng khi giao thoa hội tụ với các xu hướng công nghệ khác, ví dụ như in 3D, để tạo ra những bước đột phá mới.

In 3D là hình thức sản xuất vật thể bằng cách xếp chồng các lớp vật liệu dần lên theo thiết kế sẵn có trong máy tính, và đến nay công nghệ in 3D đã đạt đến trình độ mà sản phẩm và cấu trúc mong muốn có thể được tạo ra dù độ phức tạp của hình khối đến đâu, ngay cả việc in 3D với mô tế bào cũng đang dần khả thi.

Theo bài viết trên nanowerk.com, hiện tại in 3D đã có thể tạo ra pin lithium-ion với kích cỡ của một hạt cát. Đội nghiên cứu của Đại học Illinois (Mỹ) đã in chính xác 2 dãy điện cực pin tí hon, mỗi bên mảnh hơn độ dày của một sợi tóc.

Ứng dụng in 3D vào công nghệ nano có thể mang đến lợi thế cho việc lắp ráp ở kích cỡ nano như nhanh hơn, ít hao phí hơn. Một ví dụ khác cho việc in 3D dần tiến đến kích cỡ nano là khi người ta đã có thể tạo hình chiếc xe đua chiều dài chỉ 285 micromét (1 nghìn nanomét bằng 1 micromét). Ở một số mô hình phức tạp hơn, in 3D ở kích cỡ nano càng phải giải nhiều bài toán ví dụ như gạt bỏ vật liệu thừa.

Trước nay người ta nhắc đến in 3D được dùng để tạo ra các hình khối như tượng, đồ chơi, hoặc có thể tạo ra tạng thay thế trong cấy ghép y học. Nhưng điều đáng chú ý hơn là với công nghệ in 3D ngày càng phát triển thì người ta có thể làm những điều mà ngành sản xuất truyền thống không làm nổi ở kích cỡ micro và nano.

Ví dụ hiện nay đã gần như khả thi để xếp gốm giòn vào một cấu trúc 3D cao cấp hơn

 

Công nghệ chuyển gen cây trồng

  • PDF

Công nghệ chuyển gen cây trồng 

Để vượt qua hạn chế đối với các biến thể di truyền tự nhiên và dẫn xuất của cây trồng, các nhà khoa học đã phát triển công nghệ chuyển gen, trong đó những đặc điểm của các loài thực vật hay sinh vật được đưa vào một bộ gen cây trồng. Kháng thuốc diệt cỏ và kháng sâu bệnh là các sản phẩm hạt giống thương mại của công nghệ chuyển gen thực vật được sử dụng phổ biến. Một gen từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) sản sinh độc tố giết côn trùng gây hại đã được chèn bằng công nghệ tái tổ hợp ADN vào hệ gen của ngô, bông, khoai tây, dẫn đến sản lượng cao hơn và sử dụng ít thuốc trừ sâu hóa học hơn.


Bằng cách chèn một gen từ vi khuẩn Agrobacterium sản xuất enzyme kháng glyphosate, một loại thuốc diệt cỏ thông thường, các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ tái tổ hợp ADN để phát triển cây trồng kháng thuốc trừ cỏ, làm cho việc kiểm soát cỏ dại hiệu quả hơn. Đậu tương, ngô, cải dầu, củ cải đường và bông kháng thuốc diệt cỏ đều được thương mại hóa và lúa mì kháng thuốc diệt cỏ và cỏ linh lăng đang được nghiên cứu phát triển.

Quá trình phát triển chuyển gen đòi hỏi cây trồng phải đi qua bảy bước trước khi dạng biến đổi của nó có thể được thương mại hóa:

- Lấy ADN từ một sinh vật mong muốn.

- Nhân bản gen bằng cách tách các gen quan tâm đơn lẻ từ ADN trên và sử dụng công nghệ Phản ứng chuỗi Polymerase (PCR) để tạo ra nhiều bản sao của gen đó.

- Thiết kế gen bằng cách thay đổi gen này để hoạt động trong các tế bào cây trồng sử dụng các trình tự thúc đẩy và chấm dứt mới và bổ sung thêm gen marker kháng kháng sinh.

- Chèn gen vào nhân tế bào của mô sẹo của cây trồng bằng agrobacterium, sử dụng súng bắn gen hoặc công nghệ microporation.

- Chuyển cây vào nuôi cấy mô trong môi trường có chứa một loại kháng sinh để chỉ những mô sẹo chuyển đổi gen có thể phát triển thành cây.

- Nuôi lớn các cây chuyển gen trong nhà kính và lấy hạt giống.

- Tạo giống hồi giao kết để kết hợp các tính trạng mong muốn của cha mẹ (gốc) với cây biến đổi gen để tạo ra dòng đơn nhất với các cây con giao kết trở lại với dòng cha mẹ ưu tú cho tới khi tạo ra một dòng biến đổi gen năng suất cao. Cần khoảng 6-15 năm để các dòng chuyển gen được thương mại hóa.

Đến nay, chúng ta đã biết hàng trăm gen chuyển có thể ảnh hưởng đến các đặc điểm của cây trồng, nhưng mới chỉ có ít gen được thương mại hóa. Khi có thêm nhiều kiến thức cơ bản về gen thực vật và hoạt động của các tế bào thực vật, thì những gen chuyển có ảnh hưởng đến năng suất cây trồng sẽ được áp dụng. Các nhà nghiên cứu đang phát triển các công nghệ có thể tinh chỉnh quá trình áp dụng các gen chuyển vào các vấn đề nông học:

- Sự phát triển trực tiếp của gen. Các kỹ thuật phòng thí nghiệm đã được phát triển để xê dịch các vùng gen hay để tạo ra những đột biến ngẫu nhiên trong các trình tự gen có thể làm thay đổi các enzyme hoặc protein được mã hóa bởi các gen này. Cách tiếp cận này đã được sử dụng để thay đổi Rubisco, một loại enzyme trong thực vật có thể chuyển đổi carbon dioxide thành các phân tử sinh học và nâng cao trình quang hợp và sự phát triển của cây. Cách tiếp cận này cũng đã được đề xuất để thay đổi Bt cung cấp độc tố trong thực vật đối với một số loại sâu bệnh cụ thể.

- Tắt gen (Gene Silencing). Sự phát hiện ra các phân tử ARN nhỏ hoạt động trong phát triển của cây và khả năng chống lại sự ức chế đã dẫn đến công nghệ can thiệp ARN (RNAi). Mặc dù còn ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, nhưng các nhà nghiên cứu có thể thiết kế và tăng biểu hiện (tăng cường các chức năng) các gen mã hóa RNA nhằm mục tiêu vào sâu bệnh hoặc các mầm bệnh. Tương tự như vậy, các nhà nghiên cứu có thể làm im lặng các gen đặc thù cho các sâu bệnh hoặc các mầm bệnh và kết quả là các loài gây hại và mầm bệnh không thể tồn tại. Công nghệ này đã chỉ ra một số hứa hẹn trong kiểm soát sâu đục quả bông.

- Sửa đổi quá trình trao đổi chất. Khi sự hiểu biết về các quá trình trao đổi chất trong thực vật tăng lên, các đặc điểm được tạo ra bằng chuyển gen sẽ trở nên phổ biến hơn. Một ví dụ của công nghệ này hiện đang diễn ra là "Gạo vàng", loại gạo này có chứa carotene như phương tiện để sản xuất thực phẩm bổ sung cho các khu vực thiếu các thực phẩm có chứa vitamin A. Công nghệ này gồm ba gen-một từ vi khuẩn, một từ ngô, và một từ thủy tiên. Sự kết hợp của các gen này cung cấp một quá trình trao đổi chất sản sinh ra beta-carotene (tiền thân của vitamin A).

- Chèn gen ở vị trí cụ thể. Thao tác biến đổi gen hiện nay là chèn các gen vào một nhiễm sắc thể thực vật ngẫu nhiên, dẫn đến những thay đổi rộng lớn trong biểu hiện của các tính trạng và cần phải sàng lọc hàng trăm cây chuyển gen để xác định chèn tối ưu. Nếu một alen có thể được thay thế bởi alen khác tại một địa điểm cụ thể trong tái tổ hợp tương đồng, thì quá trình cải tiến cây trồng sẽ được nâng cao lên rất nhiều bởi có thể nghiên cứu các chức năng của các gen cụ thể. Tái tổ hợp tương đồng đòi hỏi phá vỡ chuỗi kép trong nhiễm sắc thể. Công nghệ Zinc Finger nuclease (ZFN) cho phép phá vỡ các chuỗi kép chính xác trong các nhiễm sắc thể cho tái tổ hợp tương đồng của một alen. Các ZFN khác nhau có thể được thiết kế đặc biệt để phá vỡ một gen cụ thể. Ngoài công nghệ ZNF, các enzym khác có thể được sử dụng để tạo khả năng tái hợp hai chuỗi cụ thể giống hệt nhau. Công nghệ này có thể được sử dụng để xếp chồng nhiều gen ở một địa điểm để tạo ra một số đặc điểm mới cho cây trồng. Việc chèn gen đơn đã được thực hiện ở gạo, lúa mì và ngô.

- Các nhiễm sắc thể nhân tạo. Sự cải tiến cây trồng cuối cùng đòi hỏi phải chồng các alen tốt nhất cho các gen quan trọng vào một loại cây duy nhất tại một locus đơn để các gen chuyển không tách ra ở các thế hệ sau. Mặc dù các công nghệ tái tổ hợp tương đồng và chèn gen ở địa điểm cụ thể cung cấp khả năng này, nhưng các nhiễm sắc thể nhân tạo có thể là một phương pháp hiệu quả hơn. Quá trình này bao gồm tổng hợp một nhiễm sắc thể mini bằng cách liên kết các gen quan tâm và tạo thành một vòng ADN đơn nhất. Các nhiễm sắc thể nhân tạo sau đó được đưa vào các tế bào thực vật bằng cách bắn phá hạt. Trong thí nghiệm với ngô, các nhiễm sắc thể nhân tạo ở các cây sau này thường thừa hưởng đến 93% sau ba thế hệ. Công nghệ này có khả năng xếp chồng lên đến 10 gen. Do có khoảng 20 gen có liên quan đến cố định đạm, công nghệ nhiễm sắc thể nhân tạo có thể là một hướng để thiết lập khả năng cố định đạm trong cây trồng không phải họ đậu, như gạo, lúa mì và ngô.

- Tiếp hợp vô tính (Apomixis). Do hạt giống lai đắt hơn so với hạt giống được giữ lại từ vụ thu hoạch trước, nên nông dân có thể không sử dụng chúng, mặc dù chúng có năng suất cao và kháng sâu bệnh tốt hơn. Nếu hiệu suất của giống lai có thể được duy trì sang vụ sau, thì chi phí hạt giống sẽ giảm đáng kể. Ở một số loài thực vật hoang dã, một kiểu gen lai được bảo tồn qua Tiếp hợp vô tính, là một quá trình mà hạt giống thế hệ con cháu được sản xuất ở cây trồng không cần thụ phấn. Các nghiên cứu đang được tiến hành để xem liệu các gen chuyển có thể được thiết kế để thay đổi phương thức sản xuất hạt giống cây trồng từ thụ phấn sang tiếp hợp vô tính.

- Các tín hiệu ức chế thực vật. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các gen chuyển có thể được thiết kế và chèn vào một cây để ứng phó với sự ức chế và cung cấp tín hiệu có thể quan sát được cho thấy những thiếu hụt trong đất hay nước hoặc bệnh ở giai đoạn sớm. Một tín hiệu chẳng hạn như sự thay đổi sắc tố được cây tạo ra ở giai đoạn đầu phát triển của nó có thể cung cấp người nông dân thời điểm phải có hành động khắc phục để bảo toàn năng suất của cây trồng

 



Get the Flash Player to see this player.

time2online Extensions: Simple Video Flash Player Module