Sự kết hợp AI (artificial intelligence - trí tuệ nhân tạo) và chỉnh sửa gen (gene editing) hy vọng giải quyết được vấn đề nan giải này.
Chỉnh sửa gen: cách mạng hay nguy hiểm?
Một báo cáo của Viện Tài nguyên Thế giới (WRI) gần đây cho biết, để nuôi sống dân số thế giới, con người phải sản xuất nhiều hơn.
Theo Janet Ranganathan, chuyên gia dinh dưỡng tại WRI và đồng tác giả của báo cáo: “Số thực phẩm được sản xuất ngày nay chỉ đủ 50% cho nhu cầu con người vào năm 2050”. Điều đó có thể khiến ngành nông nghiệp "nói lời tạm biệt với các hệ sinh thái tự nhiên còn lại".
Các nhà khoa học muốn sử dụng AI và cái được gọi là kéo cắt gen CRISPR-CAS9 để phát triển các cây trồng siêu kháng khí hậu có khả năng mang lại năng suất cao hơn với ít đất trồng hơn. Họ làm điều này bằng cách sửa đổi gen của thực vật bằng một phương pháp gọi là chỉnh sửa bộ gen.
Theo truyền thống, lúa là một loại cây rất khát nước và mọc ngập trong nước. Lúa đã bị ảnh hưởng nặng nề bởi hạn hán khắc nghiệt từ Ý đến Trung Quốc và Pakistan.
Biến đổi gen đã làm cho cây lúa chịu hạn tốt hơn. Trong một số tuần, nó cần lượng nước ít hơn tới 40% so với trước đây. Và trong khi cây mẹ chết sau một tuần không có nước, thì một nửa số cây biến đổi gen vẫn sống sót.
Chỉnh sửa bộ gen về cơ bản khác với kỹ thuật di truyền truyền thống.
Detlef Weigel, nhà sinh vật học tại Hiệp hội Max Planck ở Đức, cho biết: "Nó thực sự dựa vào các quá trình tự nhiên. Nhưng nó làm cho quá trình đột biến ít ngẫu nhiên hơn nhiều".
Hầu hết các sản phẩm biến đổi gen, dù là động vật hay thực vật, đã được cấy một gen nhân tạo hoặc một gen từ một sinh vật khác. Ví dụ, bông hoặc ngô kháng côn trùng có chứa một gen có nguồn gốc từ một loại vi khuẩn.
Thay vì sử dụng DNA ngoại lai, chỉnh sửa gen có thể thay đổi mã di truyền bằng cách sử dụng DNA của chính sinh vật. Với các enzym đặc biệt hoạt động giống như chiếc kéo, các gen từ thực vật có thể bị xóa, hoán đổi hoặc lặp lại.
Sẽ mất nhiều chục thế hệ sinh sản để chuyển một gen duy nhất bằng cách lai tự nhiên. Và điều này đơn giản là mất quá nhiều thời gian để khả thi, Weigel giải thích: "Vì vậy, chỉnh sửa bộ gen thực sự siêu mạnh bởi vì bạn có thể đi vào một gen duy nhất, thay đổi nó. Và thế là xong!".
Trong khi lai tạo có thể mất hơn mười năm để có được kết quả mong muốn, chỉnh sửa gen chỉ mất vài tháng và giai đoạn thử nghiệm là vài năm.
Và nó không chỉ là về lúa chịu hạn. Một số nghiên cứu cho thấy có thể tăng năng suất cà chua lên tới 70%. Những người khác đang cố gắng trồng đậu nành trên đất cằn cỗi và nhiễm mặn hoặc giảm lượng khí thải mêtan từ lúa gạo.
Tuy nhiên, không có phương pháp nào trong số này hoàn toàn không có rủi ro và sự không chắc chắn, chủ yếu là do nhiều dự án vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và không có đủ dữ liệu.
Những người phản đối nghiên cứu gen chỉ trích việc chỉnh sửa gen là một thí nghiệm nguy hiểm với tự nhiên.
Một số chuyên gia chỉ ra những trường hợp thay đổi di truyền xảy ra ngoài ý muốn hoặc trong đó nhiều thông tin di truyền bị xóa hơn dự kiến.
AI có thể giúp ích như thế nào?
Cây trồng càng ít được tối ưu hóa thì càng dễ cải thiện. Do đó, CRISPR mang lại tiềm năng lớn nhất cho các giống cũ chưa được trồng trọt và nhân giống ở quy mô công nghiệp.
Ví dụ, kê, einkorn (một loại lúa mì) và yuca (tên khoa học là Yucca Schidigera, là cây bản địa ở sa mạc Mojave và sa mạc Sonoran thuộc Đông Nam California, ở Nam Nevada, Tây Arizona, Mỹ) đã có khả năng chống chịu tốt hơn với biến đổi khí hậu, nhưng việc nhân giống để làm cho chúng có khả năng sản xuất hàng loạt phần lớn vẫn còn ở giai đoạn sơ khai.
Nghiên cứu về thực vật chỉnh sửa gen đang tăng tốc trên toàn thế giới. Mặc dù chỉ có một số ít bằng sáng chế được nộp vào năm 2011, nhưng đến năm 2019 đã có gần 2.000 bằng sáng chế, hầu hết trong số đó đến từ các công ty tư nhân hoặc tổ chức nghiên cứu công. Với việc Mỹ và Trung Quốc, cũng như các công ty đa quốc gia, đầu tư mạnh vào công nghệ chỉnh sửa gen, một thị trường trị giá hàng tỷ đô la dự kiến sẽ xuất hiện vào cuối thập kỷ này.
William Pelton, Giám đốc điều hành của công ty khởi nghiệp Phytofrom, cho biết: “Chúng tôi có thể nhanh chóng đưa những loại cây trồng đó đến một nơi mà chúng khả thi về mặt nông học để sử dụng và do đó bắt đầu đa dạng hóa hệ thống thực phẩm của chúng tôi hơn nữa”.
Sử dụng AI, Phytoform đang cố gắng xác định nhiều cơ hội tối ưu hóa hơn nữa trong gen. Các thuật toán của họ có thể nhanh chóng xử lý khối lượng dữ liệu mà một cá nhân phải mất nhiều năm mới đạt được. Công nghệ này đã phát triển đến mức một số thuật toán đã hiểu bộ dữ liệu DNA tốt hơn nhiều so với con người.
William Pelton cho biết: “AI có thể bắt đầu phát hiện ra những vùng được lặp lại và do đó bắt đầu hiểu được ý nghĩa. Và tất nhiên, điều đó có nghĩa là sau đó nó có thể hiểu được DNA, nhưng sau đó AI cũng có thể đề xuất những thay đổi có thể được thực hiện để ảnh hưởng đến kết quả".
Phytoform hiện đang nghiên cứu một loại khoai tây không chuyển sang màu nâu khi bị dập, điều này có thể dẫn đến việc ít khoai tây bị vứt bỏ hơn mặc dù chúng vẫn có thể ăn được. Họ cũng đang nghiên cứu về đậu lupin, loại cây đã tồn tại hàng nghìn năm nhưng hiếm khi được nhìn thấy trên các kệ hàng trong siêu thị.
Lupin rất giàu protein và chất dinh dưỡng và có thể được sử dụng rộng rãi hơn để chế biến thịt từ thực vật. Các thuật toán của Phytoform đang tìm cách làm cho cây trồng năng suất hơn và giải quyết các vấn đề về chất lượng.
