Sinh học tổng hợp sắp phá vỡ ngành công nghiệp

Nền công nghệ sinh học tổng hợp (synbio) hiện đã trưởng thành, và trở thành phương thức mà hầu hết mọi thứ đều có thể được sản xuất ra theo cách cạnh tranh và bền vững. Các doanh nghiệp cần phải học cách sử dụng synbio để phát triển các sản phẩm và quy trình mới, cải tiến các quy trình hiện tại và giảm chi phí để duy trì tính cạnh tranh trong tương lai.

Bài viết được dịch bởi TS Ngô Anh Tiến - Ngân hàng Mô, Hệ thống Y tế Vinmec và TS Đào Việt Linh - Công ty Spiber.

Sinh học tổng hợp (vắn tắt synbio) đã trở thành một động lực phá vỡ nền kinh tế. Sinh học thường được định nghĩa là nghiên cứu về bản thân sinh vật và sự sống, nhưng synbio đã biến khoa học thành mô hình sản xuất tương lai. Trên lý thuyết, vi sinh vật có thể tạo ra rất nhiều thứ mà các quy trình công nghiệp hiện đang sản xuất, vì vốn là sự thiết kế cấu trúc các hệ thống sinh học để tạo ra và cải tiến các quy trình và sản phẩm, synbio đang đưa đến những cách mới để sản xuất hầu hết mọi thứ mà con người cần tiêu thụ, từ hương vị và vải vóc cho đến thực phẩm và nhiên liệu.

Nguồn cung có thể không còn bị hạn chế bởi sự sẵn có của nguyên liệu thô. Mỗi một công ty có thể tự thiết kế và sản xuất ra vô số thứ từ bước đầu tiên, từ nửa gam cơ bắp gia súc có thể tạo ra tới 4,4 tỷ pound thịt bò - nhiều hơn lượng tiêu thụ của Mexico trong một năm. Hiện tại, synbio đã tạo ra một ngành công nghiệp cho các công ty khởi nghiệp dựa trên khoa học, họ đang thay thế các sản phẩm và quy trình thông thường, biến đổi thế giới vật chất mà ta biết trước đây.

Cũng giống như cách sắp xếp các số 0 và 1 cho phép thông tin được truyền đạt kỹ thuật số, sự thay đổi mã di truyền — A, T, C và G, viết tắt của adenine, thymine, cytosine và guanine, bốn nucleotide hình thành DNA — cho phép thay đổi hệ thống sinh học. Những công nghệ chỉnh sửa bộ gen mới như CRISPR-Cas9, đang giúp tạo ra các tổ hợp DNA mới, giảm chi phí chỉnh sửa DNA và tăng chiều dài của các sợi DNA mà không bị lỗi. Khả năng sử dụng của công nghệ sinh học phi tế bào cũng đã được cải thiện, cho phép các công ty sử dụng quá trình trao đổi chất tế bào mà không cần đến tế bào sống và các thử nghiệm cũng diễn ra nhanh hơn nhờ sử dụng cảm biến sinh học. Giống như dữ liệu và điện toán đám mây, DNA và chỉnh sửa DNA đang đưa đến những giới hạn sản xuất mới.

Vào cuối thập kỷ này, sinh học tổng hợp có thể được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất chiếm đến hơn một phần ba sản lượng toàn cầu, phủ tới 30 nghìn tỷ đô la về giá trị — theo một nghiên cứu mới đây của BHI. Chắc chắn rằng, nhờ sự thu thập dữ liệu theo thời gian thực, tự động hóa và AI, một số ngành đang gần cảm nhận được tác động hơn những ngành khác. Theo dự đoán của chúng tôi, những công ty đương nhiệm trong các lĩnh vực sức khỏe và sắc đẹp, thiết bị y tế và điện tử sẽ bị thách thức bởi các đối thủ synbio, và với ngành như dược phẩm và thực phẩm - chỉ trong 5 năm tới. Trong thời gian trung hạn, các ngành công nghiệp khác, chẳng hạn như hóa chất, dệt may, thời trang và nước, mà nhiều công ty khởi nghiệp đang nhắm mục tiêu, sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh về chi phí từ các giải pháp thay thế của sinh học tổng hợp, tiếp đó sẽ là các lĩnh vực như khai thác mỏ, điện, và thậm chí cả xây dựng.

Biên giới ngành của Synbio sẽ tiếp tục mở rộng khi hiểu biết sinh học của thế giới tăng lên, chi phí tổng hợp và chỉnh sửa DNA giảm xuống và các công cụ tổng hợp trở nên dễ sử dụng hơn. Các sản phẩm và các quy trình mới sẽ được tạo ra nghe giống như nội dung của khoa học viễn tưởng nhưng thực tế đã chín muồi để trở thành xu thế chủ đạo hiện hành. Hơn nữa, các công ty khởi nghiệp synbio tạo ra các sản phẩm kỹ thuật bền vững hơn, tiêu thụ ít tài nguyên, chẳng hạn như đất và nước, đồng thời không sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay các dẫn xuất hoá thạch. Các sản phẩm này cũng bền hơn, tạo ra ít chất thải hơn sau khi sử dụng và tốt cho sức khỏe con người trong hầu hết các trường hợp.

Các CEO trên toàn thế giới phải nắm bắt được công nghệ hấp dẫn này ngay lập tức, đặc biệt là khi kinh doanh và khoa học cho đến nay có xu hướng được vận hành riêng biệt. Nếu muốn tồn tại, họ phải học cách sử dụng synbio để đạt được lợi thế cạnh tranh, theo mọi nghĩa của sự bền vững.

Cũng giống như quá trình tổng hợp thay đổi hóa học và thiết kế chip đã thay đổi điện toán trong thế kỷ trước, các nhà sinh học đã xây dựng nên những tiến bộ trong sinh học phân tử, sinh học tế bào và sinh học hệ thống để chuyển đổi khoa học từ đặc tính phân tích sang đặc tính kỹ thuật. Trong khi các kỹ sư phần cứng thiết kế các mạch tích hợp và bộ vi xử lý mới dựa trên các đặc tính vật lý của vật liệu, các nhà sinh học có thể xây dựng các hệ thống sinh học tổng hợp giúp các công ty thay đổi sản phẩm cũng như quy trình của họ hoặc thậm chí cả hai. Do đó, các nhà tiên phong đang sử dụng khoa học để đạt được năm mục tiêu khác nhau:

1. Tạo ra các sản phẩm sáng tạo và quy trình độc đáo.

Nhiều công ty khởi nghiệp synbio đã và đang thiết kế các sản phẩm hoàn toàn mới với ít nhu cầu tài nguyên thiên nhiên hơn để thay thế các sản phẩm trước đó. Những kẻ thách thức này có thể bán chúng với giá cao bởi vì sản phẩm bền vững hơn và được tùy chỉnh cho từng ứng dụng hoặc người dùng.

Ví dụ hãy xem xét ngành thịt tổng hợp, có đến hơn 70 công ty khởi nghiệp với những cái tên đầy lý tưởng —như “Impossible meet”, Beyond Meat, Innocent Meat, New Age Meats, Change Foods, Eat Just, Good Chicken, and Upside Foods — đang phát triển nhanh chóng “như cháy rừng”.

“Upside Foods” được thành lập cách đây bảy năm tại Berkeley, CA, bởi bác sĩ tim mạch Uma Valeti, bác sĩ ung thư Nicholas Genovese và Will Clem, người có bằng tiến sĩ về kỹ thuật y sinh, để tạo ra các loại thịt sinh học tổng hợp ở quy mô lớn. Họ lấy tế bào gốc từ một số giống gà và trứng, nuôi với chất dinh dưỡng như axit amin, carbohydrate, khoáng chất, chất béo và vitamin, đồng thời sử dụng bioreactor để tăng tốc sự phát triển. Việc này không chỉ giảm thiểu tác động môi trường của việc chăn nuôi lấy thức ăn cho con người, mà còn hạn chế nguy cơ ô nhiễm bởi các protein được sản xuất trong điều kiện vô trùng. “Upside Foods” đã “nuôi gà, bò và cả vịt” trong các lò phản ứng sinh học của mình và cũng giống như Eat Just, công ty đã tung ra thịt gà nuôi cấy tại các nhà hàng ở Singapore vào năm ngoái, và đã có kế hoạch bán thịt gà nuôi từ phòng thí nghiệm trên khắp nước Mỹ trong tương lai gần.

Các đổi mới của synbio cũng mở rộng cho các quy trình. Công ty sinh học tổng hợp Ginkgo Bioworks có trụ sở tại Boston sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo ra vi khuẩn có thể sử dụng trong các quy trình công nghiệp. Ginkgo đang lập trình lại khoa học để phá vỡ một loạt các ngành công nghiệp và đã tạo ra một mô hình kinh doanh tập đoàn mà nó gọi là “Berkshire (Hathaway) cho công nghệ sinh học”.

Năm năm trước, Ginkgo Bioworks thành lập một liên doanh với Bayer, một nhà sản xuất dược phẩm, sản phẩm chăm sóc sức khỏe, hóa chất nông nghiệp và hạt giống của Đức. Nó được gọi là Joyn Bio, liên doanh này tổng hợp nên các vi sinh vật cho phép các loại cây trồng như ngô, lúa mì và gạo sử dụng phân bón hiệu quả hơn, qua đó giảm lượng phân bón cần thiết. Thực vật vốn cần nitơ cho tăng trưởng và quang hợp, nhưng chúng không thể tiếp cận trực tiếp từ không khí mà phải dựa vào đất cũng như vi khuẩn và vi khuẩn cổ rễ, các vi khuẩn này có khả năng chuyển nitơ phân tử từ không khí thành amoniac.

Tuy nhiên, nhiều loại cây ngũ cốc không thể tiếp cận đủ vi khuẩn, vì vậy người nông dân phải sử dụng phân đạm để đảm bảo cây phát triển. Joyn Bio đang hy vọng thay đổi điều đó bằng các chế phẩm vi sinh vật kỹ thuật mà khi được đưa vào đất, sẽ giúp cây ngô, lúa mì và cây lúa chuyển đổi nitơ thành các dạng mà chúng có thể sử dụng. Và như thêm một phần thưởng, các vi sinh vật này cũng sẽ bảo vệ thực vật khỏi sâu bệnh.

2. Cải thiện hiệu suất của các sản phẩm hoặc quy trình hiện hành.

Nhiều công ty sinh học tổng hợp đang thiết kế lại các quy trình truyền thống, phát triển các cách thức mới để sản xuất những thứ quen thuộc một cách bền vững với môi trường hơn, so với các công ty hiện hành vốn dựa vào hóa dầu, các dẫn xuất dầu mỏ, hoặc các hóa chất nguy hại sinh thái khác. Các quy trình dựa vào tế bào cũng thường có sản lượng tăng cường, vì các nhà khoa học thường có thể tạo ra những chủng vi sinh vật có hiệu suất tối đa.

Ví dụ, ngành công nghiệp khai thác sử dụng quá trình rửa trôi đống tại chỗ để chiết xuất kim loại như đồng, uranium và vàng từ mỏ quặng. Quá trình chiết xuất kim loại từ trầm tích dưới lòng đất kích hoạt một chuỗi phản ứng để hấp thụ các khoáng chất đích và sau đó, tái tách chúng khỏi các hợp thể vật liệu khác. Vấn đề ở chỗ quy trình của các công ty khai thác kiểu truyền thống thường tạo ra độc tố khi sử dụng kiềm xyanua để xử lý quặng nghiền, tạo ra độc tố, cũng như nhiều chất thải. Việc chiết xuất vàng 1 lượng vàng cần thiết để chế tạo một chiếc nhẫn cưới có thể tạo ra tới 20 tấn chất thải.

Thay vào đó, một số công ty khai khoáng như Rio Tinto ở Tây Ban Nha, BHP Cerro Colorado ở Chile và Cananea ở Mexico - đang thử nghiệm quá trình rửa trôi sinh học và oxy hóa sinh học. Các quy trình sinh học tổng hợp này chiết xuất các kim loại như đồng, kẽm, chì, asen, antimon, niken, molypden, vàng, bạc và coban từ các sulfua cô đặc chỉ qua việc sử dụng nước, không khí và quan trọng là vi sinh vật sống. Các vi sinh vật này xúc tác quá trình oxy hóa sunfua sắt để tạo ra sunfat sắt và axit sunfuric, tiếp theo đồng sunfua sẽ bị oxy hoá và đồng bị rửa trôi bởi axit sunfuric tạo thành.

Tinh chế sinh học như các quy trình mô tả trên rẻ hơn các quy trình truyền thống vì cần ít kỹ sư hơn để vận hành quy trình. Nó có thể được sử dụng để thay thế một số công đoạn nghiền và tán, giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng. Ngay cả ở mức nồng độ quặng thấp cũng không gây ra thách thức vì vi khuẩn biết bỏ qua chất thải bao quanh kim loại và đảm bảo năng suất chiết xuất hơn 90%. Quy trình này thân thiện với môi trường hơn so với khai thác quặng truyền thống, ít gây tổn hại đến cảnh quan. Hơn thế nữa, vi khuẩn sản sinh bên trong mỏ, vì vậy chúng có thể được tái chế tại chỗ cùng với các biện pháp kiểm soát để ngăn chặn sự cố tràn ra bên ngoài. Điều đó tạo ra một nền kinh tế tuần hoàn, trong đó các sản phẩm phụ hoặc chất thải lại được sử dụng làm đầu vào cho cùng quy trình hoặc cho các quy trình khác.

3. Giảm chi phí hoặc tăng nguồn nguyên liệu thô khan hiếm.

Việc các công ty synbio sản xuất các sản phẩm bằng cách lên men nguyên liệu từ thực vật đã trở nên phổ biến - cũng giống như các nhà sản xuất bia và nhà sản xuất dược phẩm sử dụng các thùng men để làm bia và sản xuất insulin. Quá trình này không cần nguyên liệu thô nào đặc biệt và khi được sản xuất ở quy mô lớn, một số nguyên liệu từ thực vật cũng trở nên ít tốn kém hơn.

Trên quá trình lĩnh hội của mình, các công ty sinh học tổng hợp đã bắt đầu sản xuất được các nguyên liệu thô đơn giản như squalene, một chất hóa học vốn được tìm thấy trong động vật hoang dã dưới nước được sử dụng trong dược phẩm, cho đến các nguyên liệu phức tạp như da và vanillin. Hãy xem xét ví dụ về vani, một chất tạo hương phổ biến từ đầu những năm 1900. Khi mà nhu cầu chung ngày càng lớn với tất cả những hợp chất tự nhiên, sản lượng vani tự nhiên trên toàn cầu lại nhỏ và đang giảm. Ít hơn 1% hương liệu vani hiện nay đến từ đậu. Trong 18.000 tấn hương liệu vani được sản xuất hàng năm theo phương thức tổng hợp hóa học, khoảng 85% từ guaiacol, một hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ cây guaiacum và 15% còn lại là từ lignin.

Các công ty thực phẩm muốn hướng đến hoàn toàn tự nhiên đang phải đối mặt với chi phí tăng cao, luật dán nhãn phức tạp và các thách thức từ người tiêu dùng về cái gì phải hay không phải là vani tự nhiên. Một lựa chọn mà synbio đi tiên phong là việc vanillin tự nhiên được làm từ các nguồn khác ngoài đậu vani. Ví dụ, từ năm 2011, Evolva, một công ty công nghệ sinh học của Thụy Sĩ, đã làm việc với nhà dẫn đầu toàn cầu, Tổ chức Hương liệu và Nước hoa Quốc tế (IFF), để phát triển vanillin trong phòng thí nghiệm. Evolva đã đầu tư vào việc phát triển các thành phần, tối ưu hóa việc sử dụng chúng và rút ngắn thời gian cần thiết để lên quy mô sản xuất trong khi IFF giúp mở rộng đầu ra và thúc đẩy thương mại hóa.

Ở một phía khác, một số công ty sinh học tổng hợp đang cố gắng chế tạo theo phương pháp sinh học các vật liệu xa xỉ như da. Làm da vốn là một quá trình tốn kém và tốn nhiều công sức, đồng thời lại có những mặt trái lớn tới môi trường. Công ty Modern Meadow có trụ sở tại New Jersey đã bắt đầu phát triển một dòng nấm men mà công ty này thiết kế để sản xuất ra collagen, loại protein mang lại sức bền và độ căng của da. Một khi nó được tinh chế, ép thành tấm và thuộc da, collagen nuôi trong thùng lên men sẽ trở nên gần giống như da vật liệu. Quá trình này không phụ thuộc vào gia súc chết hay bất kỳ loại hóa dầu nào cần thiết để làm ra da nhân tạo hoặc da thuần chay.

Vì nấm men không sản xuất ra loại collagen có thể tự động tập hợp thành các tấm da, Modern Meadow đã thiết kế thêm vào hai gen khác để tạo ra các enzym giúp sửa đổi cấu trúc phân tử của collagen. Dưới một quy trình khác, nó đưa vật liệu thành các tấm da bò thô. Công ty có thể làm quy trình thuộc da như da bò và nó cũng có thể sửa đổi collagen để làm cho da được chế tạo có đặc tính chống rách tốt hơn, không thể mỏng hơn hoặc tối ưu hóa nó cho các yêu cầu cụ thể.

Tương tự, công ty khởi nghiệp MycoWorks có trụ sở tại California đang phát triển da từ sợi nấm. Được biết đến nhiều hơn với cấu trúc rễ, sợi nấm thể hiện sức mạnh và độ bền của da khi các bào tử nuôi trong phòng thí nghiệm được sử dụng để liên kết vật liệu thành một màng dẻo. MycoWorks gần đây đã bắt đầu hợp tác với Hermès để phát triển da sinh học với một công nghệ được cấp bằng sáng chế giúp tăng cường sợi nấm khi nó phát triển. Được gọi là Sylvania, da sinh học sẽ được thuộc da, hoàn thiện và tạo hình bởi các thợ thuộc da và thợ thủ công của Hermès - tạo nên một sự khác biệt hiếm có. Chiếc túi Hermès đầu tiên được làm từ da Sylvania sẽ là Victoria Voyage hoàn toàn mới, sẽ được tung ra thị trường với mức giá khoảng 4.000 USD vào năm 2022.

4. Tạo ra các sản phẩm hoặc nguyên liệu thân thiện với môi trường hơn.

Nếu sinh học tổng hợp đang đến phần nào như kì vọng ban đầu khi làm cho hoạt động kinh doanh bền vững hơn, nó sẽ còn nhiều điều thể hiện hơn cho sự hiện diện chính đáng của mình. Tính bền vững thường có được khi các công ty phát triển các sản phẩm và quy trình mới, đồng thời nhiều trong số đó cũng thay thế cho các sản phẩm độc hại với môi trường.

Genomatica có trụ sở tại San Diego, phát triển các quy trình an toàn sinh thái hơn để tạo ra các hóa chất trung gian và hóa chất cơ bản. Tám thập kỷ trước, DuPont đã tạo ra và thương mại hóa Nylon 6, vật liệu mà các công ty hiện đang sử dụng để sản xuất thảm nylon, quần áo, nội thất xe hơi, nhựa chế tạo và bao bì thực phẩm. Năm ngoái, Genomatica đã thành công trong việc phát triển một quy trình sản xuất dựa trên vi sinh vật có thể lên men đường từ thực vật, thay vì dầu mỏ, để làm chất trung gian quan trọng cho việc sản xuất Nylon 6. Và Aquafil của Pháp đã chuyển đổi thành phần có nguồn gốc tái tạo thành các mảnh và sợi polyme Nylon 6 tại một trong những nhà máy ở Slovenia. Họ lên kế hoạch tăng khả năng sản xuất nylon sinh học này lên gấp 50 lần trong 10 năm tới, ly do chủ yếu là việc chuyển đổi sang nylon dựa trên sinh học tổng hợp sẽ làm giảm lượng phát thải khí nhà kính lên tới 60 triệu tấn mỗi năm.

5. Xúc tác chuỗi cung ứng vững mạnh.

Các cơ sở sản xuất Synbio thường nằm cùng nơi có nguồn nguyên liệu như chất thải từ nông nghiệp và của thành phố, nhằm giảm chi phí, làm cho chúng có khả năng phục hồi tốt hơn và thu hẹp dấu chân carbon (giảm lượng khí nhà kính). Những nguồn nguyên liệu thô này rất phong phú và dồi dào, vì vậy nguồn cung cấp cho các quá trình sinh học tổng hợp gần như có khả năng không bị ảnh hưởng bởi những cú sốc đang hoành hành trên các chuỗi cung ứng toàn cầu ngày nay. Đồng vị trí hạ tầng cũng sẽ cách ly các công ty này khỏi những biến động về giá hàng hóa, tỷ giá hối đoái và các căng thẳng địa chính trị.

Thậm chí một số chất thải hữu cơ có thể trở nên có giá trị khi synbio phát triển các phương pháp mới để sử dụng chúng. Ví dụ, lignin, polyme tự nhiên được tìm thấy trong thành tế bào thực vật, có thể được tái sử dụng làm nguồn cacbon để cung cấp năng lượng cho sự phát triển của vi sinh vật. Tương tự, quá trình sinh tổng hợp chitosan từ chitin - chất tạo màng sinh học tự nhiên phong phú xếp thứ hai, vốn được tìm thấy trong xương ngoài của động vật chân đốt nay có thể được sử dụng để tạo ra một số sản phẩm, gồm chất thay thế nhựa cho đến chất bảo quản thực phẩm.

Quy trình Synbio cũng sẽ giúp giải quyết các biến động về nhu cầu tốt hơn. Các nguồn vi sinh vật cho các nhà máy lên men sinh học tổng hợp có thể được sử dụng để tạo ra loạt sản phẩm khác nhau, vì vậy các công ty có thể đa dạng hóa sản xuất một khi họ đã chọn một loại vi sinh. Họ có thể sử dụng nền tảng công nghệ mô-đun của mình để thiết kế vi khuẩn và chuyển từ sản xuất loại sản phẩm này sang sản phẩm khác.

Synbio sẽ sớm ảnh hưởng đến nhiều ngành công nghiệp, mặc dù thời điểm tác động lên mỗi ngành sẽ khác nhau. Các nghiên cứu cho thấy ở một số ngành, chẳng hạn như sức khỏe và sắc đẹp, thiết bị y tế và điện tử, sẽ bị ảnh hưởng ngay lập tức, trong khi các ngành khác bao gồm hóa chất, dệt may và quản lý nước sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh dựa trên chi phí trong 10 năm tới, tiếp theo là các ngành khai thác mỏ, điện, xây dựng như đã đề cập ở trên.

Hai yếu tố quyết định khi nào synbio sẽ phá vỡ một ngành công nghiệp:

1. Thời gian chuyển đổi/ Điểm đến hạn.

Phần lớn sẽ phụ thuộc vào thời gian mà công nghệ sinh học tổng hợp cần để chuyển đổi từ lý thuyết khoa học sang công nghệ thương mại. Sẽ không dễ dàng để dự đoán điều đó sẽ xảy ra sớm đến đâu. Những công nghệ phức tạp này không mở rộng theo kiểu tuyến tính vì ngoài những thách thức đã biết, các yếu tố chưa xác định còn len lỏi vào từng giai đoạn phát triển công nghệ. Cũng giống như mọi công nghệ đều có điểm đến hạn khi nó không còn là thử nghiệm và sẵn sàng để thương mại hóa, công nghệ sinh học tổng hợp phải băng qua hai cột mốc trong hành trình tới thị trường.

Quy mô. Cột mốc quan trọng này được vượt qua khi các nhà khoa học có thể chứng minh rằng công nghệ này hoạt động lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm và sau đó ở quy mô công nghiệp trong lò phản ứng sinh học. Mặc dù chúng có thể hứa hẹn ở giai đoạn phòng thí nghiệm, cần biết rằng hơn 90% công nghệ sinh học tổng hợp không thành công vì không thể mở rộng quy mô. Quy mô ở đây ám chỉ về sự khác nhau trên các loại tế bào khác nhau. Sản xuất nấm men trong lò phản ứng sinh học đòi hỏi quy mô ít nhất 600 kilolit một năm, trong khi sản xuất tế bào động vật đạt quy mô chỉ ở 45 kilolit. Dù bằng cách nào, việc mở rộng quy mô cần có thời gian và nhiều nỗ lực. Thông lệ của ngành là thực hiện hàng nghìn giờ chạy cho bất kỳ thay đổi nào trong một quy trình.

Phí tổn. Tổ chức có thể đạt được dấu mốc này khi có thể giảm chi phí sản xuất sản phẩm hoặc chi phí sử dụng quy trình xuống mức rẻ hơn khi so với các đối tác truyền thống của mình. Chuyển đến một cơ sở có hiệu quả chi phí thường liên quan đến việc dễ dàng tiếp cận các nguồn nguyên liệu.

2. Sự lan toả ngành.

Yếu tố này là việc làm sao một công nghệ đạt được sự chấp nhận, đây là vấn đề liên quan đến các quy định chính phủ, mức độ tập trung của ngành, các khoản đầu tư, bản chất của sản phẩm, mức độ khan hiếm của nó, v.v. Tốc độ lan tỏa cũng phụ thuộc vào sự trưởng thành của hệ sinh thái hỗ trợ, đặc biệt là sự sẵn có của tài năng khoa học, các đối tác học thuật và chuỗi cung ứng.

Ẩn trong cuộc thảo luận mà không đề cập trong bài viết này về các tác động của công nghệ sinh học tổng hợp là sự chấp nhận của chúng đối với xã hội và người tiêu dùng. Chúng có thể không/ít gây tranh cãi – như với việc sử dụng da thuộc đã từng xảy ra - hoặc rất gây tranh cãi, như đối với thực phẩm biến đổi gen. (Các kỹ thuật sinh học liên quan đến việc lập trình các tế bào để tạo ra các hóa chất hoặc sản phẩm độc đáo, trong khi kỹ thuật di truyền lại tập trung vào việc sửa đổi các phần cụ thể của các sinh vật hiện có). Ở giai đoạn này, chưa thể dự đoán được làn gió chấp nhận của xã hội sẽ theo cách nào trong tương lai, đó là lý do tại sao những người chấp nhận đầu tiên phải định hình câu chuyện và các quy định sao cho chúng có lợi cho ngành công nghiệp sinh học tổng hợp.

Nói đến loại công nghệ sẽ phá vỡ một ngành — ví dụ như vi khuẩn hoặc toàn bộ tế bào — và lợi nhuận của ngành, một số công ty có khả năng cảm nhận được những thay đổi sớm hơn những công ty khác. Ví dụ, khi kể tới quy mô, sự khan hiếm và lợi nhuận, các hóa chất được sử dụng để sản xuất các sản phẩm làm đẹp có nhiều khả năng phải đối mặt với sự cạnh tranh từ các sản phẩm sinh học tổng hợp hơn là so với những hóa chất cần thiết để sản xuất hàng dệt may. Trong phần tiếp theo, bài viết sẽ áp dụng khuôn khổ được dùng để mô tả để dự báo thời điểm khi nào một ngành có khả năng bị ảnh hưởng bởi synbio.

Synbio hiện đe dọa 3 tác động phá vỡ.

Ngoài sự khác biệt về thời điểm tác động, công nghệ sinh học tổng hợp có thể có những tác động một cách đa dạng đến các ngành công nghiệp và các doanh nghiệp hiện hành. Dự kiến ​​sẽ có một hoặc nhiều hơn trong ba tác động sau đây:

• Các công ty đương nhiệm trong ngành có thể phải đối mặt với sự cạnh tranh từ các sản phẩm được thiết kế mới bởi công nghệ sinh học tổng hợp, điều này sẽ làm giảm và theo thời gian, loại bỏ hẳn nhu cầu đối với các sản phẩm hiện có bởi các tính năng tốt hơn và ảnh hưởng đến môi trường nhỏ hơn của sản phẩm mới;
• Những doanh nghiệp hiện hành có thể chuyển sang các quy trình mới, bền vững hơn mà các công ty sinh học tổng hợp phát triển;
• Những doanh nghiệp hiện hành có thể chuyển sang các loại nguyên liệu mới mà các công ty sinh học tổng hợp thiết kế để sản xuất các sản phẩm hiện có;
• Chúng ta hãy xem xét lần lượt từng hậu quả này, tập trung vào những ngành có nhiều khả năng bị ảnh hưởng trong ngắn hạn.

Sự thay thế sản phẩm. Trong một số ngành, các công ty sẽ sớm phải cạnh tranh trực tiếp hoặc gián tiếp với các sản phẩm thay thế được chế tạo bằng công nghệ sinh học. Họ có thể làm như vậy bằng cách phát triển nên các dịch vụ sinh học tổng hợp của riêng mình, sử dụng các dịch vụ truyền thống của họ để đối đầu với các công ty khởi nghiệp sinh học tổng hợp hoặc tập trung vào các thị trường ngách sinh lợi nhất cho các sản phẩm hiện có của họ. Các nghiên cứu của chúng tôi cho thấy những ngành này bao gồm từ công nghiệp (B2B) đến doanh nghiệp tiêu dùng (B2C).

Ở phía bên kia chiến tuyến, một số công ty sinh học tổng hợp đã bắt đầu sản xuất số lượng lớn hóa chất và hóa chất đặc biệt bằng các vi sinh vật được chỉnh sửa và mở rộng quy mô thông qua quá trình lên men. Ví dụ, hãy xem xét BDO (1,4-Butanediol), một hóa chất trung gian là gốc rượu chính và là một trong bốn đồng phân bền vững của butanediol. Nó được sử dụng làm dung môi trong sản xuất nhựa, sợi đàn hồi như Spandex và polyurethanes. Các nhà sản xuất BDO hàng đầu — như BASF, Dairen Chemical, Sinopec, Tân Cương Tianye và Tân Cương Guotai — cùng nhau sản xuất hơn 1 triệu tấn mỗi năm, phục vụ cho việc sản xuất 2,5 triệu tấn polyme hàng năm. Vào năm 2020, BDO là một ngành công nghiệp trị giá 5 tỷ đô la, với khoảng 30 nhà máy sản xuất sử dụng nguyên liệu hydrocacbon.

Một số công ty sinh học tổng hợp đã cố gắng sản xuất BDO sinh học thương mại từ các nguồn bền vững. Ví dụ, Genomatica sử dụng nguyên liệu tái tạo như mía, củ cải đường và các nguồn cung cấp carbohydrate khác như ngô, thay vì con đường hóa dầu. Sử dụng quá trình lên men để tạo ra BDO sinh học, sản phẩm về mặt hóa học sẽ giống với đối thủ truyền thống nhưng giảm phát thải khí nhà kính và tạo ra chuỗi cung ứng bền vững. Ngoài việc tiếp tục mở rộng sản lượng từ một nhà máy thế hệ thứ nhất, công ty này đang xây dựng một nhà máy thứ hai ở Mỹ.

Genomatica cũng cấp phép một công nghệ quy trình sản xuất sinh học của mình cho một liên doanh giữa Cargill, công ty toàn cầu sản xuất hạt giống và thịt, và HELM, một công ty gia đình, phân phối và tiếp thị hóa chất, bên sẽ đầu tư 300 triệu USD để xây dựng nhà máy mới. Dự kiến ​​hoàn thành vào năm 2024, cơ sở mới sẽ sản xuất đến hơn 65.000 tấn mỗi năm, tăng gấp ba lần năng lực sản xuất BDO sinh học của thế giới. Với cùng công suất, nó sẽ phát thải ít hơn 93% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính so với một nhà máy BDO thông thường khác. Bất ngờ hơn, nếu như tất cả các nhà sản xuất BDO trên thế giới chuyển sang sản xuất BDO sinh học, nó sẽ ngăn chặn việc thải ra hơn 15 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm. Con số đó gần bằng lượng khí thải carbon hàng năm của một triệu người Mỹ, 2 triệu người Trung Quốc hoặc 3 triệu người châu Âu.

Trong ngành công nghiệp cao su, một số công ty đang cố gắng sản xuất các monome sinh học tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất cao su tổng hợp (polyisoprene), một chất thay thế phổ biến cho cao su tự nhiên. Được sử dụng trong sản xuất găng tay phẫu thuật, bóng gôn, chất kết dính và lốp xe, cao su tổng hợp thường được làm từ các vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Để thay đổi thực tế đó với công nghệ sinh học tổng hợp, các công ty như Goodyear đã hợp tác với DuPont Industrial Biosciences vào năm 2007, GlycosBio đã làm việc với Bio X Cell của Malaysia từ năm 2010 và Bridgestone đã công bố liên doanh với Ajinomoto của Nhật Bản vào năm 2012.

Những gã khổng lồ công nghiệp này đang thử nghiệm sản xuất isoprene (2-metyl-1, 3-butadien), một hóa chất quan trọng trong sản xuất cao su tổng hợp, qua việc sử dụng một quy trình lên men với chi phí hiệu quả. Được gọi là isopren sinh học hoặc Biolsoprene, monomer sinh học tổng hợp mới này có thể được tạo ra từ các vi khuẩn từ nguyên liệu carbohydrate tái tạo. Việc chuyển đổi sẽ làm rung chuyển thị trường isoprene trị giá 3 tỷ đô la và giảm sự phụ thuộc của ngành công nghiệp cao su vào các nguyên liệu thô hóa dầu.

Trong khi đó, sự phổ biến của hương liệu và nước hoa được chế tạo bằng công nghệ sinh học, vốn nằm ở giữa hệ thống công nghiệp đến người tiêu dùng trong ngành, đang giành được chỗ đứng. Doanh số bán hương liệu và nước hoa đạt 40 tỷ đô la hàng năm và đang tăng 3,5% một năm. Các chuyên gia lớn của ngành đã hợp tác với các công ty sinh học tổng hợp trong hơn hai thập kỷ, với các công ty như BASF, Firmenich, Givaudan và Takasago thực hiện các vụ mua lại và đầu tư nội bộ, và các công ty sinh học tổng hợp như Conagen và Manus Bio đang mở rộng số lượng của các chất có sẵn. Trong khi đó, Ginkgo Bioworks đã bắt đầu sản xuất nhiều loại hương liệu với sự cộng tác từ Robertet, nhà sản xuất hương liệu và hương liệu Pháp có trụ sở tại Grasse.

Nhiều công ty thực phẩm sử dụng vanillin tổng hợp - thành phần hương liệu chính của đậu vani đã qua xử lý - được tổng hợp từ guaiacol và lignin, như chúng tôi đã mô tả trước đó. Dưới áp lực của người tiêu dùng, các công ty đang liều lĩnh thay thế vanilin tổng hợp bằng vanilin tự nhiên được sản xuất từ ​​các nguồn khác ngoài đậu vani, vốn rất đắt đỏ. Ví dụ, Solvay tạo ra vanillin tự nhiên bằng cách lên men axit ferulic, một sản phẩm phụ của dầu cám gạo, sử dụng một chủng nấm men độc quyền, trong khi công ty hương vị Pháp Mane sử dụng eugenol từ dầu đinh hương với cùng mục đích. Điều này đang làm thay đổi động lực của thị trường vani toàn cầu trị giá 300 triệu đô la.

Trong ngành phân bón, các công ty khởi nghiệp như Joyn Bio và Pivot Bio đang cố gắng tạo ra các vi sinh vật giúp cây ngũ cốc cải thiện lượng nitơ từ đất (như đã mô tả trước đó). Đưa ra các giải pháp rẻ hơn và giảm lượng phân đạm mà nông dân cần sử dụng, họ có thể phá vỡ ngành công nghiệp phân đạm trị giá đến 250 tỷ đô la. Sử dụng phân đạm đóng góp 3% lượng khí thải nhà kính của thế giới, con số này sẽ giảm một nửa nếu các công ty khởi nghiệp synbio thành công.

Ở phía bên người tiêu dùng, ngành công nghiệp thịt đang phải đối mặt với sự cạnh tranh từ nhiều công ty như Impossible Foods và Beyond Meat. Impossible Foods sản xuất miếng bánh mì kẹp thịt bò từ protein lúa mì và khoai tây, dầu hướng dương và dầu dừa, methylcellulose, tinh bột thực phẩm, và - quan trọng là - một phân tử heme được thiết kế không dựa trên thịt. Người ta đã phát hiện ra rằng heme, thứ tạo cho thịt bò xay có màu nâu đỏ, khiến miếng thịt chảy ra, xèo xèo và có mùi vị như thịt động vật. Theo phân tích vòng đời môi trường của bánh mì kẹp thịt do công ty kiểm toán độc lập Quantis, việc làm ra một miếng bánh Impossible cần ít đất hơn 96% và ít nước hơn 87% so với một miếng thịt bò thật sự, và nó thải ra khí quyển ít hơn 89% carbon. (Xem Phụ lục 2.)

Các công ty thịt sinh học tổng hợp đang sử dụng các kỹ thuật mới để cải thiện năng suất, tăng khả năng mở rộng và hạ giá thành. Các sản phẩm của Impossible Foods được sử dụng bởi các chuỗi thức ăn nhanh như Umami Burger, Bare Burger, White Castle và Burger King cũng như các siêu thị như Walmart và Kroger, trong khi đối thủ truyền kiếp của nó, Beyond Meat, bán bánh mì kẹp thịt tổng hợp tại Carl's Jr. , Subway, Denny's, TGI Fridays, A&W, Hardee's, Del Taco và Dunkin. Nếu xu hướng hiện tại tiếp tục, lượng thịt thông thường tiêu thụ ở Mỹ có thể giảm tới 33% vào năm 2040.

Cải tiến quy trình. Trong nhiều ngành, các quy trình sinh học tổng hợp có thể thay thế cho các quy trình hiện hành, buộc các doanh nghiệp đương nhiệm phải nâng cấp đầu vào tốt hơn hoặc cải thiện chúng bằng cách chuyển qua tìm nguồn cung ứng sinh học tổng hợp. Chính họ cũng có thể sử dụng các quy trình dựa trên sinh học tổng hợp để cải thiện năng suất và đồng thời giảm tác động đến môi trường của chúng.

Các công nghệ Synbio có lẽ sẽ ảnh hưởng khác nhau đến các phần khác nhau của cùng chuỗi giá trị. Ví dụ, ngành dệt may đang trong giai đoạn thay đổi vì thuốc nhuộm và hóa chất xử lý được chế tạo bằng công nghệ sinh học. Để sản xuất một tấn thuốc nhuộm cần sử dụng 1.000 mét khối nước, 100 tấn hợp chất dầu mỏ nặng, 10 tấn hóa chất độc hại và ăn mòn, và ít nhất 200 MJ năng lượng/1tấn. Đó là lý do tại sao công việc của các công ty khởi nghiệp như PILI là cố gắng loại bỏ việc sử dụng hợp chất hóa dầu, như benzen và formaldehyde, cũng như giảm lượng nước, năng lượng và hóa chất cần thiết để sản xuất thuốc nhuộm.

PILI sử dụng các enzym để chuyển đổi carbon từ các nguồn tái tạo thành các phân tử có thể được sử dụng để sản xuất thuốc nhuộm dệt, giảm chất thải và các sản phẩm phụ. Nó tạo ra các vi sinh vật có DNA mã hóa cho một loại enzyme hoặc một loạt các enzyme có thể chuyển đổi carbon thành thuốc nhuộm hoặc sắc tố, chiết xuất và tinh chế. Đa dạng về màu sắc có thể được tạo ra bằng cách hoán đổi các enzym và tối ưu hóa quy trình kỹ thuật trao đổi chất. Vì các nhà sản xuất dệt may có thể chỉ việc sử dụng thuốc nhuộm sinh học tổng hợp mà không cần thay đổi hệ thống sản xuất hiện tại của họ, thuốc nhuộm sinh học tổng hợp sẵn sàng tiếp quản thị trường 33 tỷ USD chỉ trong 5 năm tới.

Đầu vào mới. Ở một số ngành, synbio sẽ chỉ thay đổi các nguyên liệu thô mà các công ty cần sử dụng thay vì ảnh hưởng đến cả quy trình. Những doanh nghiệp đương nhiệm có thể giảm chi phí hoặc cải thiện cam kết với người tiêu dùng bằng cách sử dụng đầu vào sinh học tổng hợp. Ví dụ: nhiều mảng của nội thất ô tô có thể được thay thế bằng sinh học tổng hợp như cảm biến sinh học, nhựa sinh học tổng hợp và da bọc làm từ sợi nấm. Tuy nhiên, bản thân những vật liệu này không thay đổi cách các công ty sản xuất ô tô trong các nhà máy.

Vô số khả năng mà synbio mang lại cho hoạt động kinh doanh ngày nay chỉ được phù hợp với những thách thức đa chiều mà công nghệ mang đến. Cũng giống như các công nghệ kỹ thuật số, công nghệ sinh học tổng hợp sẽ sớm buộc các công ty phải suy nghĩ lại về mô hình kinh doanh của họ. Nhiều doanh nghiệp sẽ phải đầu tư lớn vào R&D sinh học tổng hợp, phần thưởng sẽ không chắc chắn và về lâu dài sẽ dồn lại, ngay cả khi các công ty tìm ra cách tạo dựng các mối quan hệ đối tác và liên doanh phức tạp với các công ty khởi nghiệp. Như trong trường hợp của AI, việc sử dụng công nghệ sinh học tổng hợp sẽ buộc các doanh nghiệp phải đối phó với những nhóm xã hội không thoải mái với ý tưởng tái thiết kế triệt để cuộc sống.

Các công ty nên tiếp cận synbio như đối với bất kỳ công nghệ đột phá nào khác, tập trung vào việc dự báo sự phát triển tức thời và tiến hóa lâu dài của nó. Họ phải hành động ngay lập tức dựa trên kết quả mà họ có thể dự đoán, thay đổi mức độ giám sát chặt chẽ các công nghệ theo tác động dự kiến ​​đối với ngành của họ. Với tốc độ ngày càng tăng mà công nghệ sinh học tổng hợp đang thay đổi, cũng như cách ngành công nghiệp đang trưởng thành, một số lĩnh vực sẽ cần phải phản ứng và phản ứng sớm hơn so với những lĩnh vực khác. Các CEO trong mọi ngành sẽ cần thực hiện tốt các bước đầu tiên sau đây ngay lập tức:

• Làm quen với khoa học và công nghệ. Bởi vì synbio khác với các công nghệ khác, doanh nghiệp sẽ phải đối mặt với một con đường lĩnh hội dốc đứng. Để lập chiến lược thành công và xác định các công nghệ chiến thắng và các công ty khởi nghiệp hưá hẹn, các tập đoàn phải dành thời gian để học hỏi. Những nhà tiên phong, chúng tôi nhận thấy, đang sắp xếp các chuyến tham quan học tập, mời các diễn giả khách mời và tổ chức các ngày học tập sinh học tổng hợp cho các nhóm quản lý, chiến lược và R&D hàng đầu của họ.
• Thử nghiệm các cơ hội hứa hẹn. Sử dụng kiến ​​thức được chia sẻ và sự hiểu biết có được giữa các nhóm, doanh nghiệp phải tổ chức các hội thảo để khám phá kỹ thuật, xác định các công nghệ hứa hẹn nhất và chọn một vài công nghệ để từ đó khám phá thật chuyên sâu. Để xác nhận các vấn đề hứa hẹn nhất, các giám đốc điều hành phải tìm kiếm phản hồi quan trọng từ các bên liên quan và các nhà khoa học. Họ có thể xác thực các giả thuyết chính thông qua các vòng đua lặp đi lặp lại và xếp hạng các cơ hội này theo phần thưởng tiềm năng cũng như các rủi ro có thể xảy ra khi thực hiện. Làm như vậy sẽ cho phép các nhà điều hành xác định người chiến thắng một cách nhanh chóng và đi thiết lập các thử nghiệm và thực nghiệm. Ví dụ, công ty nội thất Thụy Điển IKEA cũng như nhà sản xuất máy tính Dell của Hoa Kỳ, đang cố gắng thay thế polystyrene và Styrofoam bằng bao bì sợi thực vật có nguồn gốc của Ecovative Design, chúng sẽ phân hủy trong vòng một tháng sau khi ủ.
• Thăm dò những người tiên phong thành công. Đối với mọi cơ hội mà họ xác định được, các công ty phải tìm kiếm những công ty khởi nghiệp và những doanh nghiệp lớn đang phát triển công nghệ, sản phẩm và quy trình để hiện thực hóa chúng. Tốt nhất là nên chú ý đến các công ty khởi nghiệp có quy mô công nghệ đã vượt ra ngoài phòng thí nghiệm — một chỉ báo về khả năng tồn tại của họ.
• Xác định từ đầu các thách thức về sản xuất và cung ứng. Nhiều ứng dụng sinh học tổng hợp phải đối mặt với những thách thức trong việc mở rộng quy mô, tiêu chuẩn hóa, tính nhất quán về chất lượng, vận chuyển và tuân thủ an toàn sinh học. Các công ty phải xác định tất cả các thách thức công nghệ-thương mại tiềm ẩn trước khi chọn con đường để theo đuổi. Ví dụ như không giống như các nhà sản xuất vắc xin COVID-19 khác, Moderna sử dụng lớp phủ hạt nano lipid trên vắc xin của mình. Nó ngăn chặn sự phân hủy mRNA ở nhiệt độ của tủ đông thông thường, loại bỏ sự cần thiết về điều kiện siêu lạnh để vận chuyển vắc xin.
• Đối tác có chọn lọc. Trong các ngành công nghiệp đối mặt với nguy cơ gián đoạn ngay lập tức bởi các công nghệ sinh học tổng hợp, các công ty không có lựa chọn nào khác ngoài việc tập trung vào khả năng biến đổi của công nghệ và cố gắng vươn lên đi trước. Họ nên hợp tác với các công ty khởi nghiệp và vườn ươm đại học để họ có thể học hỏi nhanh chóng. Như đã nói trước đó, tập đoàn hóa chất khổng lồ Bayer của Đức đã thiết lập một liên doanh với Joyn Bio có trụ sở tại Boston, công ty đang sử dụng synbio để chống lại bệnh hại cây trồng và cải thiện dinh dưỡng. Khoản đầu tư của Bayer đến từ Trung tâm Khoa học Tự nhiên, đơn vị đổi mới của công ty chuyên tìm kiếm các công nghệ đột phá bổ sung cho các dịch vụ của Bayer. Nó đã kết hợp với Versant Ventures để thành lập công ty trị liệu tế bào gốc BlueRock Therapeutics và hợp tác với CRISPR Therapeutics để thành lập liên doanh Casebia Therapeutics, sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen để phát triển các phương pháp điều trị rối loạn máu, mù lòa và bệnh tim bẩm sinh.
• Thúc đẩy synbio trong danh mục đầu tư kinh doanh của bạn. Các công ty phải nhanh chóng bổ sung các sản phẩm sinh học tổng hợp vào danh mục đầu tư của mình bằng cách đầu tư vào lĩnh vực xanh cũng như lập kế hoạch mua lại. Ví dụ, Cargill vào năm 2018 đã tung ra chất làm ngọt không calo EverSweet, được sản xuất thông qua một quá trình lên men nấm men. Một trong những nhà sản xuất thịt lớn nhất thế giới, họ đã đầu tư vào một số công ty khởi nghiệp về thịt nổi tiếng như Just Foods và Aleph Farms cũng như PURIS, nhà cung cấp hàng đầu về protein đậu, được sử dụng trong thịt và các sản phẩm từ sữa thuần chay. Các công ty có lịch sử R & D có thể khám phá việc tạo ra các nền tảng sinh học tổng hợp. Một nền tảng sẽ cho phép một tổ chức phát triển và bán một số ứng dụng sinh học tổng hợp. Điều này sẽ tạo ra cơ hội hình thành các quy tắc và tiêu chuẩn. Các nhà quản lý phải hiểu rằng phát triển nền tảng là một hành trình dài nhiều năm, chuyên sâu về R & D, đòi hỏi sự cam kết bền bỉ của ban lãnh đạo cao nhất.

Kỳ lạ là, ban đầu synbio được ca ngợi là một công nghệ tiết kiệm cho môi trường, nhưng nó không hoàn toàn tồn lại và phát triển với lời hứa có phần hạn hẹp đó. Như một tạp chí nổi tiếng đã mỉa mai cách đây vài năm: “Sinh học tổng hợp sẽ cứu thế giới. Và bây giờ thì nó đang được sử dụng để làm hương liệu vani." Tuy nhiên, khi nhìn lại, việc sản xuất thương mại vanillin trong lò phản ứng sinh học đã đánh dấu một bước ngoặt bởi vì nó chứng tỏ tiềm năng thương mại to lớn của synbio. Phải cần thời gian để synbio đạt đến các dấu mốc quan trọng, nhưng thời điểm đó cuối cùng đã đến. Thời gian đang không thể tốt hơn. Sử dụng synbio trên quy mô lớn là cách duy nhất để doanh nghiệp có thể phát triển bền vững trong tương lai, cứu giúp hành tinh và để (các doanh nghiệp) lấy lại danh tiếng.

Nguồn: News-medical.net