Nghiên Cứu Tạo Chủng Đột Biến Tăng Cường Sinh Astaxanthin Từ Nấm Men Rhodosporidium Toruloides

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU TẠO CHỦNG ĐỘT BIẾN TĂNG CƯỜNG SINH ASTAXANTHIN TỪ NẤM MEN Rhodosporidium toruloides Ngành: Hoá Sinh học Mã số ngành: 62420116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Tp Hồ Chí Minh năm 2022 Cơng trình hồn thành tại: trường Đại Học Khoa Học Tự NhiênĐại Học Quốc Gia- Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: HDC: PGS.TS Ngô Đại Nghiệp Phản biện 1: PGS.TS Trần Cát Đơng Phản biện 2: TS Nguyễn Hồng Dũng Phản biện 3: TS Huỳnh Ngọc Oanh Phản biện độc lập 1: PGS.TS Trần Cát Đông Phản biện độc lập 2: PGS.TS Đái Thị Xuân Trang Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Cơ sở đào tạo họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, vào hồi 8h30 ngày 01 tháng 03 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tổng hợp Quốc gia Tp.HCM Thư viện trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tuyet Nhung Tran, Dai-Hung Ngo, Quoc Tuan Tran, Hoang Chinh Nguyen, Chia-Hung Su, Dai-Nghiep Ngo (2020), “Enhancing Astaxanthin Biosynthesis by Rhodosporidium toruloides Mutants and Optimization of Medium Compositions Using Response Surface Methodology”, Processes, (4), 497 Tuyet Nhung Tran, Dai-Hung Ngo, Ngoc Tuan Nguyen, Dai-Nghiep Ngo (2019), “Draft genome sequence data of Rhodosporidium toruloides VN1, a strain capable of producing natural astaxanthin”, Data in Brief, 26, 104443 Trần Thị Tuyết Nhung, Ngô Đại Nghiệp (2021), "GÂY ĐỘT BIẾN NẤM MEN Rhodosporidium toruloides TĂNG CƯỜNG SINH ASTAXANTHIN BẰNG TÁC NHÂN ETHYL METHANESULFONATE VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG BẮT GỐC 2,2-DIPHENYL-1-PICRYLHYDRAZYL CỦA ASTAXANTHIN”, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ - Khoa học Tự nhiên, (4),1670-1678 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Astaxanthin (3,3´- dihydroxy- β-carotene-4,4´-dione) sắc tố thuộc nhóm keto-carotenoid, tổ chức quản lý thuốc thực phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration-FDA) chấp thuận để dùng làm chất tạo màu thực phẩm, thức ăn nuôi trồng thuỷ sản [1] Ngồi ra, astaxanthin có hoạt tính kháng oxy hố mạnh, chống lại tế bào ung thư, bảo vệ nơ ron thần kinh, giúp phòng bệnh lý tim mạch, bảo vệ võng mạc, chống lại thoái hoá điểm vàng tuổi tác… [2, 3] Do vậy, astaxanthin ứng dụng rộng rãi công nghiệp dược phẩm, dinh dưỡng thực phẩm chức mỹ phẩm Nguồn thu nhận astaxanthin cung cấp chủ yếu tự nhiên từ động vật giáp xác, vi khuẩn, tảo nấm men tổng hợp từ hợp chất có nguồn gốc từ cơng nghệ hố dầu [4] Trong đó, q trình tổng hợp hố học cho sản lượng astaxanthin lớn nhược điểm gây ô nhiễm môi trường, đáng ý cần xem xét mức độ an toàn chức sinh học loại astaxanthin tổng hợp [5] Để giải vần đề trở ngại này, việc thu nhận astaxanthin từ nguồn tự nhiên, đặc biệt vi sinh vật có khả sinh tổng hợp astaxanthin phát triển nhanh chóng Trong lồi vi sinh vật có khả tổng hợp astaxanthin, Haematococcus pluvialis loài nghiên cứu kỹ tích tụ lượng lớn astaxanthin Tuy vi tảo H pluvialis có hàm lượng astaxanthin cao ứng dụng quy mô công nghiệp bị hạn chế kỹ thuật ni cấy địi hỏi chi phí cao tế bào tăng trưởng chậm Chính vậy, nỗ lực tìm kiếm ứng cử viên nấm men xem giải pháp tổng hợp astaxanthin quy mô công nghiệp hiệu tảo lục [6] Rhodosporidium toruloides loại nấm men có khả sử dụng chất lignocellulose để lên men, đồng thời có khả tạo tích tụ hàm lượng lipid cao sinh khối, sinh tổng hợp carotenoid, enzyme có giá trị cho ngành cơng nghiệp hố dầu dược phẩm [6-8] Nấm men R toruloides công bố nguồn hứa hẹn sinh tổng hợp carotenoid đầy tiềm có khả sử dụng nguồn cacbon rẻ tiền để sinh trưởng tốc độ phát triển nhanh [6, 8] Tuy nhiên chủng R toruloides hoang dại cho hàm lượng tích luỹ astaxanthin thấp, dẫn đến bị hạn chế ứng dụng quy mô cơng nghiệp Do việc nghiên cứu tăng cường hiệu sinh astaxanthin chủng R toruloides thông qua tạo tuyển chọn chủng đột biến mang tính khoa học thực tiễn cao CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Nấm men Rhodosporidium toruloides Rhodosporidium toruloides lồi nấm thuộc ngành nấm đảm màu đỏ, khơng có khả gây bệnh cho người phân lập lần vào năm 1922 từ khơng khí Đại Liên, Trung Quốc với tên gọi Torula rubescen R toruloides tồn dạng nấm men nấm sợi [8, 10] có khả sản xuất carotenoid (chịu trách nhiệm cho màu đỏ tế bào cung cấp đặc tính chống oxy hóa), có khả tích lũy lượng lớn lipid tế bào (trong điều kiện hạn chế chất dinh dưỡng chế dự trữ carbon) [6] Ngoài ra, lồi nấm men cịn có khả tạo carotenoid enzyme quan trọng ứng dụng lĩnh vực công nghệ sinh học L-phenylalanine ammonialyase, D-amino acid oxidase [11] Hơn nữa, chất béo tạo có thành phần acid béo tương tự với dầu thực vật, nên ứng dụng để sản xuất dầu ăn, mở nguồn nhiên liệu thay đầy hứa hẹn ngành công nghiệp thực phẩm sản xuất biodiesel [6] Giống hầu hết loại nấm men khác, R toruloides sử dụng đường MVA để tạo loại sterol carotenoid 40C Nó tạo tất chất trung gian chuyển hóa cần thiết để tạo chuỗi terpene ngắn hơn, chẳng hạn hemiterpenes (C5), monoterpenes (C10), sesquiterpenes (C15) [9] Những kiến thức ngày sâu rộng cấp độ hệ thống tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển kỹ thuật biến dưỡng R toruloides cho sản phẩm dẫn xuất acid béo, carotenoid, terpenoid hay sắc tố [8] Nhiều nghiên cứu cố gắng cải thiện khả sản xuất carotenoid R toruloides cách tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy Dias đồng nghiệp (2020) báo cáo phương pháp ni cấy gián đoạn có kiểm soát pH để tăng sản xuất carotenoid (0,29 g/L) Một cơng trình khác phân tích tầm quan trọng thành phần môi trường nuôi cấy sản xuất lipid/carotene phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) quan sát thấy carotenoid gia tăng 10% (w/v) điều kiện tối ưu hóa [8] Ngồi ra, phương pháp gây đột biến hóa lý, chẳng hạn phương pháp ARTP phương pháp nitrosoguanidine (NTG), thành công áp dụng để chọn số dòng đột biến dựa màu sắc khuẩn lạc, ví dụ số tạo 0,75 mg carotenoid/g CDW điều kiện hạn chế nitơ [9] Mặc dù có nhiều nghiên cứu theo hướng cải biến di truyền R toruloides để tạo đột biến dùng làm tảng để sản xuất hợp chất khác tiến hành giới, nhiên việc sử dụng phương pháp vật lý hoá học để tạo chủng đột biến có khả sinh sắc tố astaxanthin cải thiện hướng mở đầy tiềm 2.2 Astaxanthin Astaxanthin có tên hệ thống (3S,3’R)-3,3-Dihydroxy-β, β-carotene 4,4’dione, công thức phân tử C40H52O4, trọng lượng phân tử 596,84 g/mol 16 Cấu trúc bao gồm hai vòng β-ionone nối với chuỗi polyene, phân tử astaxanthin có hai carbon bất đối xứng nằm vị trí 3, 'của vịng β-ionone với nhóm hydroxyl (-OH) hai đầu phân tử [12] Các nguồn tự nhiên astaxanthin bao gồm tảo lục, vi khuẩn, nấm, vi khuẩn cổ, chromista, tôm, tôm đất, cua, tôm hùm, nhuyễn thể Nam Cực, giáp xác chân vịt biển, lồi kỳ giơng Nguồn sản xuất astaxanthin quan trọng vi khuẩn biển Agrobacterium aurantiacum, vi tảo lục Haematococcus pluvialis, Chlorella zofingiensis, nấm men đỏ Xanthophyllomyces dendrorhous (còn gọi Phaffia rhodozyma) [5] Hiện tại, 95% astaxanthin có sẵn thị trường có nguồn gốc từ tổng hợp hóa dầu trình sản xuất tự nhiên chưa tiêu chuẩn hóa tốt cho quy mơ cơng nghiệp Mặt khác, lượng astaxanthin tự nhiên có nguồn gốc từ Haematococcus pluvialis chiếm