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 khả năng điều chỉnh con đường trao đổi chất của thực vật theo ý muốn. Thực vật có khả năng tổng hợp hằng hà sa số các hợp chất thiên nhiên mà con người vẫn chưa kiểm soát được vì bản chất di truyền, phát triển và sinh thái rất phức tạp của chúng. Vì thực vật quá phức tạp nên từ lâu vi sinh vật đã chiếm vị trí thượng tôn trong các hoạt động sản xuất hợp chất thiên nhiên phục vụ con người, đơn giản chỉ vì người ta dễ dàng điều khiển các tính trạng di truyền vi sinh vật như các gene mã hóa cho các con đường sinh tổng hợp được sắp xếp và điều hòa theo trật tự rõ ràng. Ở thực vật thì trái lại, người ta vẫn chưa rõ có bao nhiêu enzyme tham gia vào việc sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên, gene mã hóa cho các enzyme này lại không được sắp xếp theo trật tự rõ ràng như ở vi sinh vật; ngoài ra, việc sinh tổng hợp các hợp chất này còn phụ thuộc sự phối hợp hoạt động giữa các loại tế bào chuyên biệt cho tổng hợp, vận chuyển, và lưu trữ. Sản xuất khối lượng lớn các hợp chất tự nhiên này là điều rất khó khăn, trong rất nhiều trường hợp là bất khả thi. Hiện nay, người ta thường sản xuất hợp chất thiên nhiên bằng cách đưa vào trong vi sinh vật (như vi khuẩn Escherichia coli hoặc nấm men) một vài gene có chức năng sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên ở thực vật. Một ví dụ thành công điển hình là công trình sản xuất tiền chất của artemisinin (thuốc chống sốt rét) với lượng đáng kể từ nấm men của Tiến sĩ Ro Dae-kyun ở Đại học California– Berkeley (Hoa Kỳ) (nay công tác tại Đại học Calgary, Canada). Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về việc biến đổi di truyền sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên trên chính đối tượng thực vật, đặc biệt là khi người ta vẫn chưa biết hết các enzyme tham gia vào con đường sinh tổng hợp hợp chất mong muốn, như trường hợp monoterpene indole alkaloid trong nghiên cứu của Tiến sĩ O’Connor. Trong công trình của Tiến sĩ O’Connor, bà và các cộng sự đã chuyển tế bào của cây dừa cạn (Catharanthus roseus) thành các nhà máy sản xuất hợp chất tự nhiên bằng cách kết hợp việc sử dụng gene từ vi sinh vật, kỹ thuật biến đổi enzyme cùng kỹ thuật chuyển gene vào tế bào thực vật. Họ đã thành công trong việc tạo ra các hợp chất tự nhiên monoterpene indole alkaloid có chứa chlor (Cl). Các alkaloid này bao gồm nhiều hợp chất có vai trò quyết định trong việc chữa trị bệnh Hodgkin (ung thư hạch bạch huyết) và bệnh bạch cầu ác tính. Việc gắn thêm một nguyên tử Cl lên một phân tử alkaloid là điều trước đây người ta không thể làm được. Trong tương lai, chúng ta có thể sử dụng phương pháp này để thay đổi hoạt tính và tính chuyên biệt, đồng thời làm giảm tác dụng phụ của thuốc. Các alkaloid này rất phức tạp, có chung tiền chất là acid amine tryptophan và phân tử terpene 10 carbon là geraniol. Các tiền chất này thì đơn giản, nhưng sau khi được chuyển hóa với ít nhất 14 enzyme tham gia thì sẽ trở thành hàng trăm loại monoterpene indole alkaloid khác nhau. Một bước quan trọng trong con đường sinh tổng hợp này là việc loại nhóm carboxyl từ phân tử tryptophan do enzyme tryptophan decarboxylase ở cây dừa cạn xúc tác, tạo ra carbon dioxide và chất trung gian tryptamine. Tryptamin sau đó kết hợp với hợp chất secologanin có gốc từ geraniol tạo ra strictosidine do enzyme strictosidine synthase xúc tác. Strictodine này sau đó lại tiếp tục được biến đổi nhờ nhiều enzyme khác nhau để tạo ra hàng rất nhiều loại alkaloid đa dạng ở cây dừa cạn. Cây dừa cạn (Catharanthus roseus). Nguồn ảnh: PHOTOS HORTICULTURAL/PHOTOSHOT Trước đây, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ O’Connor đã chứng minh rằng tế bào dừa cạn có thể thu nhận phân tử tương tự như tryptamin nhưng có thêm một nguyên tử Cl và tạo ra được sản phẩm alkaloid có gắn Cl. Ban đầu các nhà khoa học hơi bất ngờ khi thấy tính “dễ dãi” của các enzyme khi chấp nhận cơ chất không chuyên biệt (có thêm Cl); tuy nhiên, sau đó họ nhận ra rằng đây tính chất không chuyên biệt về cơ chất là điều khá phổ biến ở các enzyme tham gia sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên. Trong công trình mới này, Tiến sĩ O’Connor còn chứng minh thêm tính không chuyên biệt của enzyme “thượng nguồn” trước tryptamin là tryptophan decarboxylase. Sau khi đã xác định được các enzyme trong con đường sinh tổng hợp monoterpene indole alkaloid ở cây dừa cạn có khả năng chấp nhận cơ chất có thêm gốc Cl, Tiến sĩ O’Connor và các cộng sự sử dụng các enzyme halogenase từ vi khuẩn đất để gắn nhóm Cl vào hai nguyên tử carbon chuyên biệt trên vòng tryptophan. Sản phẩm tạo ra là hai loại phân tử strictosidine với hai vị trí Cl khác nhau. Kết quả cho thấy chỉ có một loại strictosidine gắn Cl được các enzyme “hạ nguồn” chấp nhận. Các tác giả đã sử dụng lại một kết quả nghiên cứu trước đây về cấu trúc enzyme strictosidine synthase để biến đổi enzyme này thành một enzyme chấp nhận cả hai loại strictosidine gắn Cl. Nhóm nghiên cứu sau đó sử dụng một loại vi khuẩn đất phổ biến là Agrobacterium rhizogenes có khả năng chèn gene ngoại lai vào tế bào thực vật. Họ nuôi cấy rễ cây dừa cạn được chuyển gene halogenase và dạng strictosidine synthase biến đổi. Tế bào rễ cây dừa cạn sản xuất được không những tryptophan có gắn Cl mà còn rất nhiều dạng alkaloid có chứa Cl khác, chứng minh phổ cơ chất rộng lớn của các enzyme có liên quan. Nghiên cứu của Tiến sĩ Sarah O’Connor và cộng sự đã chứng minh tính khả thi của ý tưởng biến đổi con đường sinh tổng hợp chất tự nhiên để tạo ra các hợp chất mang các tính chất mong muốn ngay bằng hệ thống thực vật mà lâu nay thường bị bỏ qua. Nhiều enzyme có liên quan vẫn chưa được tìm hiểu cụ thể nên không thể đưa vào hệ thống vi sinh vật để tổng hợp hoạt chất được. Lượng sản phẩm tạo ra từ nghiên cứu này còn thấp, tuy nhiên cũng tương đương với mức in vitro hay từ vi sinh vật trong các nghiên cứu khác. Ngoài ra, việc ứng dụng thuyết phục các công cụ biến đổi cấu trúc enzyme và gắn các nhóm chức hóa học vào hợp chất tự nhiên sẽ mở ra cơ hội cho các nhà hóa học y dược tham gia tích cực vào lĩnh vực khám phá các hợp chất tự nhiên. . thường sản xuất hợp chất thiên nhiên bằng cách đưa vào trong vi sinh vật (như vi khuẩn Escherichia coli hoặc nấm men) một vài gene có chức năng sinh tổng hợp hợp chất tự nhiên ở thực vật. Một. 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. roseus) thành các nhà máy sản xuất hợp chất tự nhiên bằng cách kết hợp việc sử dụng gene từ vi sinh vật, kỹ thuật biến đổi enzyme cùng kỹ thuật chuyển gene vào tế bào thực vật. Họ đã thành công