Vài năm trước, nhóm nghiêm cứu của Giáo sư Ron Milo đã đặt nền móng cho một viễn cảnh tạo một bữa ăn hoàn toàn từ vi sinh vật khi phòng thí nghiệm của nhóm trở thành đơn vị đầu tiên tạo ra thành công một chủng vi khuẩn có khả năng phát triển bằng cách "ăn" carbon dioxide CO₂ trong khí quyển thay vì sử dụng carbohydrate như đường vốn được xem là nguồn dinh dưỡng không thể thiếu đối với các vi khuẩn thông thường.

Trong nghiên cứu mới nhất, các nhà khoa học tiếp tục cải tiến vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) bằng cách lập trình để chúng hình thành những "cấu trúc cơ thể" chuyên biệt có khả năng hấp thụ lượng CO₂ lớn hơn đáng kể, từ đó tăng tốc độ sinh trưởng. Mục tiêu lâu dài của dự án là tạo ra các chủng vi khuẩn có thể phát triển hoàn toàn nhờ CO₂, sau đó được sử dụng làm nguồn thực phẩm cho con người và động vật.

Những kết quả này đã được nghiên cứu sinh Klil Halevi, một trong năm thành viên của dự án, trình bày tại Hội nghị thường niên của Hiệp hội Sinh thái học và Khoa học Môi trường Israel diễn ra ở Jerusalem trong tháng này.

Theo ông Halevi, tham vọng của nhóm nghiên cứu là giúp vi sinh vật thực hiện quá trình tương tự như thực vật. Nếu thực vật sử dụng nước, CO₂ và năng lượng mặt trời để tạo ra carbohydrate phục vụ quá trình sinh trưởng, đồng thời trở thành nền tảng của toàn bộ chuỗi thức ăn, thì các vi sinh vật cũng có thể được thiết kế để thực hiện chức năng tương tự.

Ông cho rằng hệ thống sản xuất lương thực hiện nay phụ thuộc quá lớn vào nông nghiệp và chăn nuôi, trong khi các hoạt động này tiêu tốn nhiều đất đai, nước và phân bón.

Theo thống kê được nhóm nghiên cứu dẫn lại, nông nghiệp và các hình thức sử dụng đất liên quan hiện chiếm khoảng 45% diện tích đất không bị băng phủ hoặc sa mạc trên toàn cầu. Khi dân số thế giới tiếp tục tăng, nhu cầu về tài nguyên sẽ ngày càng lớn, kéo theo áp lực đối với an ninh lương thực, đa dạng sinh học và các hệ sinh thái tự nhiên.

Theo ông Halevi, hệ thống nông nghiệp truyền thống rất dễ bị tổn thương trước các biến động về môi trường và chuỗi cung ứng. Việc mở rộng diện tích trồng trọt và chăn nuôi trong hơn một thế kỷ qua đã khiến thế giới mất vĩnh viễn khoảng một phần ba diện tích rừng, làm suy giảm một trong những "lá phổi xanh" quan trọng giúp hấp thụ khí nhà kính và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp công nghệ thực phẩm như Remilk hay Quorn đã sử dụng vi sinh vật để sản xuất protein sữa hoặc các sản phẩm thay thế thịt. Tuy nhiên, những quy trình này vẫn phải nuôi vi sinh vật bằng đường có nguồn gốc từ nông nghiệp. Theo ông Halevi, điều đó đồng nghĩa chúng vẫn phụ thuộc vào hệ thống canh tác truyền thống.

Vi khuẩn E. coli biến đổi gen từ Phòng thí nghiệm của Giáo sư Ron Milo tại Viện Khoa học Weizmann

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng những công nghệ chỉnh sửa di truyền đang được thực hiện này sẽ giúp các chủng vi khuẩn trong tương lai có thể tạo ra thực phẩm chỉ từ CO₂ và năng lượng mặt trời. Ông Halevi mô tả viễn cảnh này "gần giống như phép thuật" bởi nó sẽ cho phép sản xuất thực phẩm mà gần như không cần đến cây trồng làm nguyên liệu đầu vào.

Tiềm năng của công nghệ được đánh giá rất lớn. Theo tính toán của Phòng thí nghiệm Milo, nếu dành khoảng 1.000 m² đất để lắp đặt hệ thống tạo năng lượng mặt trời phục vụ nuôi cấy các vi sinh vật này, lượng protein thu được có thể cao gấp khoảng 10 lần so với cùng diện tích dùng để trồng đậu nành.

Ngoài protein, vi sinh vật còn có khả năng tạo ra nhiều hợp chất có giá trị khác như carbohydrate, vitamin và nhiều dưỡng chất thiết yếu khác, mở ra triển vọng phát triển đa dạng các loại thực phẩm trong tương lai.

Hiện hàng chục phòng thí nghiệm trên thế giới đang chạy đua nghiên cứu công nghệ sản xuất thực phẩm từ vi sinh vật, sử dụng nhiều chủng khác nhau như nấm men, vi khuẩn Bacillus subtilis… vốn đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất enzyme công nghiệp cùng với E. coli.

Tuy vậy, ông Halevi thừa nhận công nghệ vẫn còn ở giai đoạn đầu và chưa thể sớm thay đổi cách con người sản xuất thực phẩm. Theo ông, sẽ không có chuyện vi sinh vật tạo ra những chiếc bánh mì kẹp trong một sớm một chiều. Tuy nhiên về lâu dài, chúng hoàn toàn có thể bổ sung hoặc thậm chí thay thế một phần hệ thống sản xuất thực phẩm dựa trên thực vật và vật nuôi hiện nay.

Dù còn nhiều thách thức phía trước, ông tin đây là lĩnh vực khoa học xứng đáng được đầu tư, bởi tốc độ phát triển đang rất nhanh, trong khi nền nông nghiệp truyền thống đã mất khoảng 10.000 năm để đạt đến quy mô như hiện nay.