Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tự nhiên” bằng thực vật Tiến sĩ Sarah O’Connor, phó giáo sư hóa học ở Học viện công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) vừa công bố một công trình khoa học vào tháng 11/2010 về[.]
Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tự nhiên” thực vật Tiến sĩ Sarah O’Connor, phó giáo sư hóa học Học viện công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) vừa cơng bố cơng trình khoa học vào tháng 11/2010 khả điều chỉnh đường trao đổi chất thực vật theo ý muốn Thực vật có khả tổng hợp hà sa số hợp chất thiên nhiên mà người chưa kiểm soát chất di truyền, phát triển sinh thái phức tạp chúng Vì thực vật phức tạp nên từ lâu vi sinh vật chiếm vị trí thượng tơn hoạt động sản xuất hợp chất thiên nhiên phục vụ người, đơn giản người ta dễ dàng điều khiển tính trạng di truyền vi sinh vật gene mã hóa cho đường sinh tổng hợp xếp điều hòa theo trật tự rõ ràng Ở thực vật trái lại, người ta chưa rõ có enzyme tham gia vào việc sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên, gene mã hóa cho enzyme lại không xếp theo trật tự rõ ràng vi sinh vật; ra, việc sinh tổng hợp hợp chất phụ thuộc phối hợp hoạt động loại tế bào chuyên biệt cho tổng hợp, vận chuyển, lưu trữ Sản xuất khối lượng lớn hợp chất tự nhiên điều khó khăn, nhiều trường hợp bất khả thi Hiện nay, người ta thường sản xuất hợp chất thiên nhiên cách đưa vào vi sinh vật (như vi khuẩn Escherichia coli nấm men) vài gene có chức sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên thực vật Một ví dụ thành cơng điển hình cơng trình sản xuất tiền chất artemisinin (thuốc chống sốt rét) với lượng đáng kể từ nấm men Tiến sĩ Ro Dae-kyun Đại học California– Berkeley (Hoa Kỳ) (nay công tác Đại học Calgary, Canada) Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu việc biến đổi di truyền sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên đối tượng thực vật, đặc biệt người ta chưa biết hết enzyme tham gia vào đường sinh tổng hợp hợp chất mong muốn, trường hợp monoterpene indole alkaloid nghiên cứu Tiến sĩ O’Connor Trong cơng trình Tiến sĩ O’Connor, bà cộng chuyển tế bào dừa cạn (Catharanthus roseus) thành nhà máy sản xuất hợp chất tự nhiên cách kết hợp việc sử dụng gene từ vi sinh vật, kỹ thuật biến đổi enzyme kỹ thuật chuyển gene vào tế bào thực vật Họ thành công việc tạo hợp chất tự nhiên monoterpene indole alkaloid có chứa chlor (Cl) Các alkaloid bao gồm nhiều hợp chất có vai trị định việc chữa trị bệnh Hodgkin (ung thư hạch bạch huyết) bệnh bạch cầu ác tính Việc gắn thêm nguyên tử Cl lên phân tử alkaloid điều trước người ta khơng thể làm Trong tương lai, sử dụng phương pháp để thay đổi hoạt tính tính chuyên biệt, đồng thời làm giảm tác dụng phụ thuốc Các alkaloid phức tạp, có chung tiền chất acid amine tryptophan phân tử terpene 10 carbon geraniol Các tiền chất đơn giản, sau chuyển hóa với 14 enzyme tham gia trở thành hàng trăm loại monoterpene indole alkaloid khác Một bước quan trọng đường sinh tổng hợp việc loại nhóm carboxyl từ phân tử tryptophan enzyme tryptophan decarboxylase dừa cạn xúc tác, tạo carbon dioxide chất trung gian tryptamine Tryptamin sau kết hợp với hợp chất secologanin có gốc từ geraniol tạo strictosidine enzyme strictosidine synthase xúc tác Strictodine sau lại tiếp tục biến đổi nhờ nhiều enzyme khác để tạo hàng nhiều loại alkaloid đa dạng dừa cạn Cây dừa cạn (Catharanthus roseus) Nguồn ảnh: PHOTOS HORTICULTURAL/PHOTOSHOT Trước đây, nhóm nghiên cứu Tiến sĩ O’Connor chứng minh tế bào dừa cạn thu nhận phân tử tương tự tryptamin có thêm nguyên tử Cl tạo sản phẩm alkaloid có gắn Cl Ban đầu nhà khoa học bất ngờ thấy tính “dễ dãi” enzyme chấp nhận chất khơng chun biệt (có thêm Cl); nhiên, sau họ nhận tính chất không chuyên biệt chất điều phổ biến enzyme tham gia sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên Trong cơng trình này, Tiến sĩ O’Connor cịn chứng minh thêm tính khơng chun biệt enzyme “thượng nguồn” trước tryptamin tryptophan decarboxylase Sau xác định enzyme đường sinh tổng hợp monoterpene indole alkaloid dừa cạn có khả chấp nhận chất có thêm gốc Cl, Tiến sĩ O’Connor cộng sử dụng enzyme halogenase từ vi khuẩn đất để gắn nhóm Cl vào hai nguyên tử carbon chuyên biệt vòng tryptophan Sản phẩm tạo hai loại phân tử strictosidine với hai vị trí Cl khác Kết cho thấy có loại strictosidine gắn Cl enzyme “hạ nguồn” chấp nhận Các tác giả sử dụng lại kết nghiên cứu trước cấu trúc enzyme strictosidine synthase để biến đổi enzyme thành enzyme chấp nhận hai loại strictosidine gắn Cl Nhóm nghiên cứu sau sử dụng loại vi khuẩn đất phổ biến Agrobacterium rhizogenes có khả chèn gene ngoại lai vào tế bào thực vật Họ nuôi cấy rễ dừa cạn chuyển gene halogenase dạng strictosidine synthase biến đổi Tế bào rễ dừa cạn sản xuất khơng tryptophan có gắn Cl mà cịn nhiều dạng alkaloid có chứa Cl khác, chứng minh phổ chất rộng lớn enzyme có liên quan Nghiên cứu Tiến sĩ Sarah O’Connor cộng chứng minh tính khả thi ý tưởng biến đổi đường sinh tổng hợp chất tự nhiên để tạo hợp chất mang tính chất mong muốn hệ thống thực vật mà lâu thường bị bỏ qua Nhiều enzyme có liên quan chưa tìm hiểu cụ thể nên đưa vào hệ thống vi sinh vật để tổng hợp hoạt chất Lượng sản phẩm tạo từ nghiên cứu thấp, nhiên ... theo trật tự rõ ràng vi sinh vật; ra, việc sinh tổng hợp hợp chất phụ thuộc phối hợp hoạt động loại tế bào chuyên biệt cho tổng hợp, vận chuyển, lưu trữ Sản xuất khối lượng lớn hợp chất tự nhiên. .. trường hợp bất khả thi Hiện nay, người ta thường sản xuất hợp chất thiên nhiên cách đưa vào vi sinh vật (như vi khuẩn Escherichia coli nấm men) vài gene có chức sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên thực. .. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu việc biến đổi di truyền sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên đối tượng thực vật, đặc biệt người ta chưa biết hết enzyme tham gia vào đường sinh tổng hợp hợp chất