Sản xuất hợp chất thứ cấp bằng phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật

Bài viết trình bày tổng quan về các hợp chất thứ cấp chính có trong thực vật cũng như vai trò của chúng trong đời sống. Đồng thời, ghi nhận các ưu điểm của phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật thu nhận hợp chất có hoạt tính sinh học, cùng với việc giới thiệu các hợp chất thực vật đã được sản xuất thương mại.

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 SẢN XUẤT HỢP CHẤT THỨ CẤP BẰNG PHƢƠNG PHÁP NUÔI CẤY TẾ BÀO THỰC VẬT Phạm Thị Mỹ Trâm (1), Ngô Kế Sƣơng(3), Lê Thị Thuỷ Tiên(2) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một, (2) Trường Đại học Bách Khoa (VNU-HCM); (3) Viện Sinh học Nhiệt đới TPHCM Ngày nhận 21/03/2019; Ngày gửi phản biện 29/03/2019; Chấp nhận đăng 02/05/2019 Email: tramptm@tdmu.edu.vn Tóm tắt Ni cấy tế bào thực vật phương quan tâm nghiên cứu để thu nhận hợp chất thứ cấp có giá trị, sử dụng làm phụ gia thực phẩm, mỹ phẩm dược phẩm Sự tổng hợp hợp chất thứ cấp từ nuôi cấy tế bào thực vật in vitro hồn tồn kiểm sốt chặt chẽ, độc lập với thay đổi khí hậu điều kiện đất trồng Nhiều trường hợp việc tổng hợp hóa học hợp chất thứ cấp khơng thể không khả thi mặt kinh tế Hơn nữa, chất phụ gia thực phẩm tự nhiên người tiêu dùng ưa thích so với sản phẩm sản xuất nhân tạo Trong báo này, chúng tơi tổng quan hợp chất thứ cấp có thực vật vai trò chúng đời sống Đồng thời, ghi nhận ưu điểm phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật thu nhận hợp chất có hoạt tính sinh học, với việc giới thiệu hợp chất thực vật sản xuất thương mại Từ khoá: dược liệu, hợp chất thứ cấp, nuôi cấy tế bào thực vật, phụ gia thực phẩm, mỹ phẩm Abtract PRODUCTION OF SECONDARY METABOLITIES IN PLANT CELL CULTURE METHOD Plant cell culture is one of the interesting methods to produce valuable secondary metabolities, such as food additives, cosmetics and pharmaceuticals The synthesis of secondary metabolities from plant cell culture in vitro is strictly controlled, independent of climate change and soil conditions In many cases, chemical synthesis of secondary metabolities is not possible or economically feasible Moreover, natural food additives are preferred by consumers to manufactured products In this paper, we have an overview of the major secondary metabolities in plant as well as their roles in life And the advantages of plant cell culture methods that are used to collect bioactive compounds were noted, along with the introduction of commercially plant compounds Giới thiệu Thực vật, với khoảng 250.000 loài, nguồn cung cấp hợp chất dùng làm dược liệu phụ gia thực phẩm có giá trị Những sản phẩm biết chất trao đổi thứ cấp, thường hình thành với lượng nhỏ chức trao đổi chất chưa biết 81 Phạm Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật đến đầy đủ Chúng dường sản phẩm phản ứng hóa học thực vật với mơi trường (bảo vệ chống lại mầm bệnh, bảo vệ chống lại tia cực tím) (Mulbagal & Tsay, 2004) Theo thống kê Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), 80% dân số giới dựa vào y học cổ truyền để chăm sóc sức khỏe, chủ yếu thuốc từ cỏ Ngoài ra, thực vật nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiều loại thuốc đại analgesic, aspirin, có nguồn gốc từ lồi Salix Spiraea; thuốc chống ung thư paclitaxel vinblastine (Pant, 2014) Khoảng 25 - 28% loại thuốc có nguồn gốc từ thực vật bậc cao 60% thuốc chống ung thư có nguồn gốc trực tiếp gián tiếp từ thực vật Theo BBC, thuốc có nguồn gốc từ thực vật tăng từ 29,3 tỷ đô la năm 2017 lên khoảng 39,2 tỷ đô la vào năm 2022 với tốc độ tăng trưởng hàng nm l 5,9% (Gonỗalves & Romano, 2018) Cỏc hp cht thứ cấp quan trọng ngành dược thu nhận cách chiết xuất từ tự nhiên Tuy nhiên, phương pháp dẫn đến tuyệt chủng số loài thực vật nguy cấp Taxus brevifolia Podophyllum hexandrum gây ảnh hưởng sinh thái nghiêm trọng Hơn nữa, việc trồng dược liệu gặp nhiều khó khăn như: lợi nhuận thấp tăng trưởng chậm, yếu tố khí hậu khơng thích hợp canh tác nhiều nơi khác nhau, sâu hại, dịch bệnh trồng, tình trạng thiếu lao động chăm sóc thu hái Trong năm gần đây, xu hướng nhân sinh khối phòng thí nghiệm với quy mơ lớn giải pháp thay dần phương pháp truyền thống Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật phương pháp tiêu biểu cho tiềm thu nhận hợp chất thứ cấp có giá trị Hiện nay, sản xuất hợp chất thứ cấp qui mô lớn phương pháp nuôi cấy tế bào thực nhiều loài dược liệu khác shikonin từ nuôi cấy tế bào Litospermum erythrorhizon, berberine từ Coptis japonica sanguinarine từ Papaver somniferum (Smetanska, 2008) Xuất phát từ sở trên, viết mong muốn cung cấp thêm thông tin “thu nhận hợp chất thứ cấp phƣơng pháp nuôi cấy tế bào thực vật”, qua thấy r vai trò hợp chất thứ cấp từ thực vật ứng dụng công nghệ sinh học vào đời sống Hợp chất thứ cấp từ thực vật Cây dược liệu nguồn thuốc cứu sống phần lớn dân số giới Hợp chất có hoạt tính sinh học chiết xuất từ thực vật ứng dụng nhiều công nghiệp như: hóa chất nơng nghiệp, phụ gia thực phẩm, dược phẩm (bảng 1) Các hợp chất thuộc nhóm gọi hợp chất thứ cấp (Mulbagal & Tsay, 2004) Bảng Tầm quan trọng sản phẩm từ thực vật công nghiệp (Bhojwani & Razdan, 1996) a b c a b c Dƣợc phẩm Alkaloid Steroid Cardenolide Phụ gia thực phẩm Chất tạo vị Chất tạo vị đắng Chất màu Chất màu tinh dầu Ajmalicine, atropine, berberine, reserpine, vincristine, vinblastine Diosgenin Digitoxin, digoxin Stevioside, thaumatin Quinine Crocin Shikonin, anthocyanin, betalin 82 codeine, Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một a b a b Số 3(42)-2019 Hoa hồng, hoa lài, oải hương Chất màu Tinh dầu Hóa chất nơng nghiệp hóa chất tinh chế Hóa chất nơng nghiệp Hóa chất tinh chế Pyrethrin, salannin, azadirachtin Protease, vitamin, lipid, dầu Các hợp chất thứ cấp phân loại đơn giản, bao gồm nhóm chính: terpene, phenolic alkaloid (Agostini-Costa cs., 2014) Nhóm terpene: Terpene, isoprenoid, loại hợp chất thứ cấp đa dạng Theo từ điển “Dictionary of Natural Products” liệt kê 30000 sản phẩm thuộc nhóm này, chủ yếu có nguồn gốc thực vật, bao gồm chất mùi vị, kháng sinh, hóc mơn động thực vật, lipid màng, chất kháng côn trùng,… (Anurag cs., 2015) Terpenoid nhóm sản phẩm tự nhiên lớn đa dạng nhất, có cấu tạo từ phân tử tuyến tính đến đa phân tử có kích thước từ 5carbon hemiterpene đến cao su tự nhiên, bao gồm hàng nghìn đơn vị isoprene Tất terpenoid tổng hợp thông qua việc ngưng tụ đơn vị isoprene (C5) phân loại theo số lượng năm đơn vị carbon có cấu trúc l i (Agostini-Costa cs., 2014) Nhiều tinh dầu thực vật, menthol, linalool, geraniol caryophyllene tạo thành monoterpene (C10), với hai đơn vị isoprene, sesquiterpene (C15), với ba đơn vị isoprene Các hợp chất khác, diterpenes (C20), triterpenes (C30) tetraterpene (C40) có đặc tính đặc biệt (Anurag cs., 2015) Nhóm phenolic: Tất chất thuộc nhóm phenol có đặc trưng chứa vòng thơm gắn với nhiều nhóm hydroxyl Hơn 8000 cấu trúc phenol tìm thấy chúng phân bố rộng rãi lồi thực vật Chúng có cấu trúc từ đơn giản với vòng thơm polymer phức tạp tannin, lignin Chúng phân loại dựa số lượng bố trí nguyên tử carbon chúng tìm thấy kết hợp với đường acid hữu Nhóm phenol phân thành hai nhóm nhỏ là: flavonoid phi flavonoid Các hợp chất phenol từ thực vật nhóm hợp chất thứ cấp lớn có rau quả, chè, ca cao,… Chúng có nhiều tính chất có lợi nên nghiên cứu nhiều lĩnh vực hóa học, sinh học, nông nghiệp y học Chúng đặc trưng tính chất chống oxy hố, chống viêm, chống lại chất gây ung thư số bệnh khác Các chất phenol đơn giản chất diệt khuẩn gây mê (Justin cs., 2014) Nhóm alkaloid: Các alkaloid có dạng tinh thể hợp chất chứa nitơ, tách chiết cách dùng dung dịch acid Alkaloid có hoạt tính sinh lý tất động vật sử dụng công nghiệp dược (Nguyễn Hoàng Lộc, 2007) Ngoài carbon, hydro nitơ, nhóm chứa oxy, lưu huỳnh có nguyên tố khác clo, brom phospho Alkaloid tạo nhiều sinh vật, vi khuẩn, nấm, động vật chủ yếu từ thực vật Hầu hết số chúng độc sinh vật khác Chúng có tác dụng dược lý đa dạng sử dụng làm thuốc chữa bệnh từ lâu (Justin cs., 2014) Nuôi cấy tế bào thực vật Những nghiên cứu hợp chất thứ cấp có nguồn gốc từ thực vật phát triển từ cuối năm 50 kỷ XX Các hợp chất thứ cấp quan trọng công nghiệp như: nước hoa, thuốc diệt côn trùng, thuốc trị liệu, thuốc kháng sinh Chúng thu nhận từ phương pháp 83 Phạm Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật nuôi cấy mô tế bào thực vật thay cho trồng Việc sản xuất quy mô lớn thực thành công hợp chất shikonin chiết xuất từ Lithospermum erythrorhizon Kể từ đó, nhiều hợp chất thức cấp có giá trị taxol, berberine,… thu nhận phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật (Misawa, 1994) Nuôi cấy tế bào thực vật khởi đầu thơng qua hình thành khối tế bào khơng phân hóa, gọi "mơ sẹo" Mơ sẹo hình thành từ mơ quan phân hóa điều kiện đặc biệt (vết thương, xử lý chất điều hòa sinh trưởng,…) Sau đó, mơ sẹo chuyển vào mơi trường lỏng, lắc liên tục máy lắc vòng với tốc độ thích hợp nhằm cung cấp đầy đủ oxy cho tế bào Trong q trình ni cấy, tế bào tách rời kết thành cụm nhỏ, gọi huyền phù tế bào (Nguyễn Đức Lượng & Lê Thị Thủy Tiên, 2006) Nuôi cấy tế bào thực vật giúp cho q trình thu nhận hợp chất thứ cấp liên tục ổn định Phương pháp có nhi ều ưu điểm mà nhà khoa h ọc quan tâm (Fischer cs., 1999; Smetanska, 2008; Vijaya Sree cs., 2010): (1) Hợp chất thứ cấp có giá trị sản xuất điều kiện có kiểm sốt chặt chẽ, độc lập với thay đổi khí hậu điều kiện đất trồng; (2) Hàm lượng số hợp chất thứ cấp thu nhận từ ni cấy tế bào cao so với tự nhiên; (3) Tránh ảnh hưởng sinh học (vi sinh vật côn trùng) đến tế bào thực vật nuôi cấy; (4) Các tế bào loài thực vật ni cấy để phục vụ cho mục đích sản xuất hợp chất thứ cấp; (5) Thiết bị tự động kiểm sốt tăng trưởng tế bào điều hòa q trình chuyển hóa làm giảm chi phí lao động cải thiện suất; (6) Quá trình tách chiết hợp chất thứ cấp từ tế bào thực vật in vitro đơn giản Đây ưu điểm để áp dụng phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật với mục đích thương mại; (7) Ni cấy tế bào thực vật có khả tổng hợp chất mà chất khơng tìm thấy nguyên vẹn; (8) Bên cạnh đó, kết nghiên cứu gần cho thấy kỹ thuật nuôi cấy huyền phù tế bào thực vật sử dụng để sản xuất sản phẩm protein tái tổ hợp Việc khám phá phương pháp nuôi cấy tế bào có khả sản xuất hợp chất dùng làm thuốc với lượng tương tự nhiều so với thực vật nguyên vẹn tăng tốc nhiều năm qua Một số khảo sát nuôi cấy tế bào thực vật để sản xuất loại dược phẩm quan trọng trình bày bảng Bảng Một số hợp chất thứ cấp sản xuất từ nuôi cấy tế bào thực vật (Misawa, 1994) Hợp chất thứ cấp Shikonin Ginsenoside Anthraquinones Ajmalicine Rosmarinic acid Ubiquinone-10 Diosgenin Benzylisoquinoline Alkaloids Loài thực vật Lithospermum erythrorhizon Panax ginseng Morinda citrifolia Catharanthus roseus Coleus blumeii Nicotiana tabacum Dioscorea deltoides Coptis japonica 84 Hiệu suất (% trọng lƣợng khô) Nuôi cấy Thực vật tế bào nguyên vẹn 20 1,5 27 4,5 18 0,3 1,0 0,3 15 0,036 0,003 2 11 - 10 Loại nuôi cấy s c s s s s s s Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 Berberine Thalictrum minor 10 0,01 Berberine Coptis japonica 10 2-4 Anthraquinones Galium verum 5,4 1,2 Anthraquinones Galium aparine 3,8 0,2 Nicotine Nicotiana tabacum 3,4 2,0 Bisoclaurine Stephania cepharantha 2,3 0,8 Tripdiolide Tripteryqium wilfordii 0,05 0,001 Chú thích: * s = suspension (ni cấy huyền phù tế bào); c = callus (nuôi cấy mô sẹo) s s s s c s s Những thành tựu thu nhận hợp chất thứ cấp đƣợc thƣơng mại hố phƣơng pháp ni cấy tế bào thực vật Hệ thống ni cấy tế bào thực vật có tiềm cải thiện việc thu nhận hợp chất thứ cấp có giá trị y dược, hương liệu, nước hoa chất màu mà sản xuất tế bào vi khuẩn tổng hợp đường hóa học Những năm gần đây, phát triển hợp chất thứ cấp có giá trị kinh tế cao kết mong đợi lĩnh vực nghiên cứu Kỹ thuật nuôi cấy tế bào khởi xướng từ cuối năm 60 kỷ XX cơng cụ hữu ích để nghiên cứu sản xuất hợp chất thứ cấp thực vật Taxol: Một hợp chất thứ cấp có giá trị điều trị ung thư taxol Năm 1962, Barclay thu thập mẫu từ loài thơng đỏ Thái Bình Dương Taxus brevifolia ban đầu cho thấy vỏ có khả gây độc dòng tế bào ung thư biểu mơ Đến năm 1971, hai nhà khoa học Wall Wani cơng bố cấu trúc hồn chỉnh taxol, hợp chất có có khả chống ung thư đầy hứa hẹn Năm 1979, Susan Horwitz, dược sĩ thuộc Đại học Y khoa Albert Einstein New York phát phương thức hoạt động độc đáo taxol Nếu chất chống ung thư trước tiêu diệt tế bào ung thư cách ức chế phân chia tế bào nhờ ngăn chặn việc sản xuất sợi vi ống taxol lại kích thích phát triển chúng Các tế bào xử lý taxol tạo nhiều vi ống đến mức chúng phối hợp phân chia tế bào Kết là, tế bào chết tiếp tục cố gắng chép DNA chúng trường hợp khơng có khả phân chia Nhưng phải 20 năm để hợp chất taxol tiếp cận thị trường dạng thuốc hố trị Có nhiều lí cho chậm trễ này, nguyên nguồn cung cấp: chiết xuất taxol từ T brevifolia khó khăn phát triển chậm nên mang lại lượng nhỏ hợp chất Hơn nữa, vỏ bị khai thác chết (Ginsberg, 2003) Hiện nay, taxol sản xuất quy mô lớn bán tổng hợp từ tiền chất DAB baccatin III nuôi cấy tế bào thực vật Fett-Neto cs (1992) khởi đầu việc nuôi cấy huyền phù tế bào Taxus cuspidate để thu nhận hợp chất taxol Srinivasan cs (1995) nghiên cứu trình sản xuất taxol nuôi cấy tế bào T baccata bioreactor l có cánh khuấy hay bổ sung hỗn hợp khí nén Hàm lượng taxol đạt 1,5 mg/l Navia-Osorio cs (2002) nuôi cấy tế bào T baccata var fastigiata T wallichiana bioreactor 20 l có sục khí đáy bình Hàm lượng taxol baccatin III cao đạt 21,04 mg/l 25,67 mg/l ngày thứ 28 q trình ni cấy tế bào T Wallichian Sự sản xuất taxol đạt đến mức độ cao (295 mg/l) nuôi cấy hai giai đoạn tế bào T x media hệ thống nuôi cấy qui mô lớn (Tabata, 2004) Như vậy, để sản xuất taxol thương mại, phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật bioreactor thiết kế tối ưu hoá lựa chọn Phyton Biotech công ty nuôi cấy tế bào thực vật đạt chuẩn GMP lớn 85 Phạm Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật giới sử dụng bioreactor 75000 l để sản xut taxol vi nng sut 880000 l mi nm (Gonỗalves & Romano, 2018) Camptothecin: Camptothecin alkaloid chiết xuất từ Camptotheca acuminata vào năm 1966 Wall, Wani cs Nhưng đến năm 1985 chế tác động camptothecin xác định Camptothecin có khả bẫy enzyme topoisomerase I, phức hợp với DNA Điều ngăn chặn chép DNA tế bào ung thư dẫn đến chết tế bào ung thư Hiện nay, sản phẩm tan nước bán tổng hợp từ campothecin topotecan, irinotecan, chất gây ức chế enzyme topoisomerase I Cục Quản lý Thực phẩm Dược phẩm Hoa Kỳ cấp phép làm thuốc chống ung thư buồng trứng, phổi, vú ruột kết (Asano cs., 2004) Saito cs (2001) nghiên cứu sản xuất camptothecin từ rễ tơ Ophiorriza pumila (Rubiaceae) với lây nhiễm vi khuẩn Agrobacterium rhizogenes 15834 Sinh khối rễ tơ tăng lên gấp 16 lần sau tuần nuôi cấy Hàm lượng camptothecin đạt 0,1% so với trọng lượng khô tế bào rễ Sudo cs (2002) tiến hành nuôi cấy rễ tơ Ophiorriza pumila qui mô lớn cách sử dụng bioreactor l Hàm lượng camptothecin đạt 22 mg/mẻ sau tuần nuôi cấy Trong đó, hàm lượng camptothecin tiết vào mơi trường khoảng 17% Podophyllotoxin: Không phải từ mà từ hàng ngàn năm trước, người sử dụng loại thực vật việc điều trị nhiều loại bệnh khác Hai loại thực vật nghiên cứu vào năm 1950 Podophyllum peltatum (táo ma) Catharanthus roseus (da cn) (Gonỗalves & Romano, 2018) Nghiờn cu khởi nguồn từ thuốc dân gian người n Độ Mỹ sử dụng dịch chiết từ rễ táo ma để điều trị ung thư da bệnh sùi mào gà Các nghiên cứu thành phần táo ma Podophyllotoxin Podophyllotoxin hợp chất có độc tính cao nên thường không sử dụng điều trị ung thư Nhưng dẫn xuất nó, etoposide teniposide, sử dụng điều trị ung thư phổi, ung thư tinh hoàn, u não, ung thư máu FDA chấp nhận sử dụng làm thuốc điều trị bệnh (Misawa, 1994) Tuy nhiên, tự nhiên, tăng trưởng chậm nên hạn chế việc cung cấp podophyllotoxin bắt buộc phải tìm kiếm phương pháp sản xuất thay Nuôi cấy tế bào P peltatum để sản xuất podophyllotoxin lần thực Kadkade cs (1982) Để tăng sản lượng podophyllotxin, Woerdenberg cs (1990) sử dụng phức hợp tiền chất coniferyl alcohol b-cyclodextrin bổ sung môi trường nuôi cấy huyền phù tế bào P hexandrum Bổ sung phức hợp mM coniferyl alcohol tăng hiệu suất podophyllotoxin lên 0,013% theo khối lượng khô, mẫu đối chứng sản xuất 0,0035% podophyllotoxin Smollny cs (1992) thông báo mô sẹo tế bào huyền phù Lilium album sản xuất 0,3% podophyllotoxin Sakata cs (1994) tạo rễ bất định từ mô sẹo P peltatum môi trường MS lỏng bổ sung NAA mg/l, kinetin 0,2 mg/l casein thuỷ phân 500 mg/l Sau đó, rễ chuyển sang mơi trường khơng có chất điều hồ sinh trưởng Hàm lượng podophyllotoxin thu 1,6% so với sinh khối rễ khô, cao gấp lần so với mẹ Chayopadhyay cs (2002) nuôi cấy huyền phù tế bào P hexandrum bioreactor l Hàm lượng podophyllotoxin đạt 0,19 mg/l/ngày, tăng 27% so với hiệu suất nuôi bình lắc sau tối ưu hóa nguồn carbon, điều kiện ánh sáng tốc độ khuấy trộn Vinca alkaloid: inca alkaloid (alkaloid dừa cạn) họ hợp chất indole dạng dimer, bao gồm khoảng 130 hợp chất chiết xuất bán tổng hợp từ dừa cạn Catharanthus 86 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 roseus, đại diện cho lớp chất chống ung thư quan trọng Đặc biệt, hai loại alkaloid vincristine vinblastine, có hoạt tính chống ung thư, hợp chất đơn phân ajmalicine serpentine sử dụng điều trị bệnh tim mạch giúp lưu thông máu Cơ chế hoạt động gây độc tế bào chúng ức chế hình thành vi ống cách gắn với protein tubulin, làm ngừng chu trình tế bào giai đoạn nguyên phân Chúng sản xuất thương mại cách chiết xuất từ dừa cạn Catharanthus roseus, q trình khơng hiệu nồng độ alkaloid thấp, khoảng 0,0005% (1 dừa cạn thu khoảng 50 g vincristine thô) Như vậy, để sản xuất hiệu hơn, nhiều nhà khoa học thử áp dụng công nghệ nuôi cấy mô thực vật Nghiên cứu thực Carew vào năm 1966 Tuy nhiên, việc sản xuất hai alkaloid (vincristine vinblastine) cách nuôi cấy mô sẹo huyền phù tế bào C roseus khơng có triển vọng suất sinh khối tế bào thấp (Misawa, 1994; Vijaya Sree & cs., 2010) Phân tử vinblastine có nguồn gốc từ hai loại alkaloid catharanthine vindoline Trong đó, hàm lượng vindoline C roseus nguyên vẹn 0,2% so với trọng lượng khô, cao nhiều so với hàm lượng catharanthine chi phí chiết xuất vindoline tốn so với catharanthine vinblastine Năm 1987, Smith cs sử dụng acid abscisic để kích thích sản sinh catharanthine ajmalicine nội bào q trình ni cấy tế huyền phù tế bào bình lên men 30 l Hàm lượng catharanthine sau 10 ngày nuôi cấy đạt 85,25 mg/l (Smith cs., 1987) Endo cs (1988) thiết lập quy trình ni cấy huyền phù tế bào C roseus nhằm thu nhận enzyme xúc tác kết hợp vindoline catharanthine để tạo 3′,4′anhydrovinblastine Fulzele Heble (1994) sử dụng môi trường giàu tryptophan để nuôi cấy tế bào C roseus bioreactor 20 l Hàm lượng ajmalicine 315 μg/g trọng lượng tế bào khô sau 14 ngày nuôi cấy Ramani Jayabaskaran (2008) sử dụng kích thích tố phi sinh học tia UV-B để kích ứng gia tăng hàm lượng catharanthine vindoline q trình ni cấy huyền phù tế bào C roseus giai đoạn tăng trưởng cuối phase luỹ thừa phase ổn định Kết cho thấy nuôi cấy phase ổn định đáp ứng nhanh với tia UV-B Hàm lượng catharanthine tăng gấp lần, hàm lượng vindoline tăng gấp 12 lần chiếu tia UV-B phút Pliankong cs (2018) bổ sung chitosan vào môi trường nuôi cấy huyền phù tế bào Catharanthus roseus (L.) G Don để kích thích sinh tổng hợp vinblastine vincristine Khi bổ sung chitosan có nồng độ 100 mg/l vào mơi trường làm gia tăng làm lượng vinblastine vincristine mức tương ứng 4,15 5,48 μg/mg so với trọng lượng khô tế bào Khi không bổ sung chitosan hàm lượng alkaloid thu 2,43 2,49 μg/mg so với trọng lượng khô tế bào Shikonin: Shikonin dẫn xuất hợp chất thứ cấp quan trọng mặt thương mại, biết đến với hoạt động sinh học kháng khuẩn, diệt côn trùng, chống ung thư, chống oxy hóa Các hợp chất thường có màu có ứng dụng làm phụ gia thực phẩm thực phẩm, phẩm nhuộm mỹ phẩm (son môi) Các loài thực vật chứa shikonin như: Litospermum, Arnebia, Alkanna, Anchusa, Echium Onosma Shikonin rễ Lithospermum erythrorhizon có Nhật Bản, Triều Tiên, Trung Quốc Cây trồng 5-7 năm, chiết rễ lấy 12% chất khô Do đó, nhà khoa học sử dụng phương pháp nuôi cấy tế bào để nghiên cứu, thử nghiệm sản xuất shikonin Đến năm 1984, shikonin sản phẩm thương mại sản xuất qui mô công nghiệp từ việc nuôi cấy tế bào rễ Litospermum erythrorhizon bioreactor 750 l cơng ty Hố dầu Mitsui (nay cơng ty Hố chất Mitsui), Nhật Bản (Malik cs., 2014) 87 Phạm Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật Hình Hệ thống bioreactor dùng để sản xuất shikonin từ tế bào Lithospermum erythrorhizon phương pháp nuôi cấy giai đoạn (Bhojwani & Razdan, 1996) Gingsengnoside: Nhân sâm, Panax ginseng thuộc họ Araliaceae, loại thảo dược phương Đơng có giá trị Nó (thường dùng rễ khơ) sử dụng làm thuốc chữa bệnh thuốc bổ sức khỏe quốc gia Trung Quốc, Nhật Bản Hàn Quốc từ thời cổ đại Thành phần hoạt tính sinh học nhân sâm xác định ginsenoside, nhóm saponin triterpenoid Trong năm gần đây, nhân sâm sử dụng ngày nhiều loại thuốc bổ cho sức khỏe, dạng sản phẩm y tế thương mại phân phối toàn giới viên nang nhân sâm, súp, đồ uống mỹ phẩm (Sahraroo cs., 2016; Vijaya Sree cs., 2010) Tuy nhiên, trồng nhân sâm 4-5 năm thu hoạch rễ Sâm phải trồng điều kiện đặc biệt độ cao, độ ẩm, ánh sáng Ngoài phải giải vấn đề bệnh hại phải thường xuyên chuẩn bị cánh đồng trồng sâm cho vụ mùa sau để đảm bảo chất lượng sản lượng (Dương Tấn Nhựt & Hoàng Xuân Chiến, 2012) Do đó, sử dụng phương pháp ni cấy mơ tế bào thực vật nhân sâm nhà khoa học quan tâm nhằm tìm kiếm nguồn nguyên liệu dồi cho ngành dược liệu Các sản phẩm nhân sâm ni cấy có nguồn gốc từ nuôi cấy tế bào Panaxginseng sản xuất thương mại Công ty Nitto Denko Nhật Bản từ năm 1980 bioreactor có dung tích từ 2000 đến 20000 l với hiệu suất thu nhận rễ từ 500 – 700 mg/l/ngày (Vijaya Sree cs., 2010) Hiện nay, Hàn Quốc, số công ty sản xuất rễ tơ nhân sâm với bioreactor có dung tích 10000 đến 20000 l (Dương Tấn Nhựt & Hoàng Xuân Chiến, 2012) Ở Việt Nam, có nguồn lợi từ thực vật vơ phong phú thiếu thốn thiết bị nghiên cứu, chuyên gia đầu ngành lĩnh vực nghiên cứu sàng lọc hợp chất thứ cấp từ thực vật có hoạt tính sinh học, phương pháp tiến hành thu nhận hợp chất, mà cụ thể phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật Các kỹ thuật nuôi cấy tế bào qui mô công nghiệp, sử dụng bioreactor để sản xuất hợp chất có hoạt tính sinh học đường đầy tiềm chưa khai phá hết công nghệ nuôi cấy tế bào thực vật nước ta Kết luận Các hợp chất thứ cấp từ thực vật thường tạo với lượng nhỏ, lại có hoạt tính sinh học cao, đặc biệt quan trọng người sử dụng lĩnh vực thực phẩm y học Nhiều loại hợp chất thứ cấp từ thực vật có tác dụng hiệu điều trị ung thư vincristin, vinblastin, taxol,… Tuy nhiên, trình phân tách tinh hợp chất thứ cấp phức tạp tốn thời gian, đặc biệt hợp chất tồn lượng nhỏ tế bào Chính 88 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(42)-2019 vậy, việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu chủ động chứa hợp chất có hoạt tính sinh học cao, phương pháp tách chiết tinh phù hợp để phục vụ cho nhu cầu người vấn đề nhà khoa học quan tâm Hiện nay, phương pháp nuôi cấy tế bào nghiên cứu rộng rãi để cải thiện tiềm thu nhận chất có hoạt tính sinh học nhiều lồi thực vật điều kiện có kiểm soát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Agostini-Costa, T da S., Vieira, R F., Bizzo, H R., Silveira, D &Gimenes, M A (2012) Secondary Metabolites In Chromatography and Its Applications (S Dhanarasu, Ed.) InTechOpen [2] Anurag, K et al (2015) Metabolites in plants and its classification World Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 4(1), 287-305 [3] Asano, T., Watase, I., Sudo, H., Kitajima, M., Takayama, H., Aimi, N., Yamazaki, M & Saito, K (2004) Camptothecin production by in vitro cultures of Ophiorrhiza liukiuensis and O kuroiwai 21, 275–281 [4] Bhojwani, S S & Razdan, M K (1996) Plant tissue culture: Theory and practice, a revised edition (Vol 5) Elsevier Science B V [5] Chattopadhyay, S., Srivastava, A K., Bhojwani, S S & Bisaria, V S (2002) Production of podophyllotoxin by plant cell cultures of Podophyllum hexandrum in bioreactor Journal of Bioscience and Bioengineering , 93(2), 215-220 [6] Dương Tấn Nhựt Hồng Xn Chiến (2012) Cơng nghệ sinh học thực vật kỉ XXI: Triển vọng thách thức Tạp chí hoa học ơng nghệ , 50(6), 859-874 [7] Endo, T., Goodbody, A., Vukovic, J & Misawa, M (1988) Enzymes from Catharanthus roseus cell suspension cultures that couple vindoline and catharanthine to form 3′,4′anhydrovinblastine Phytochemistry , 27(7), 2147-2149 [8] Fett-Neto, A G., DiCosmo, F., Reynolds, W F & Sakata, K (1992) Cell culture of Taxus as a source of the antineoplastic drug taxol and related taxanes Biotechnology , 10(12), 1572-5157 [9] Fischer, R., Liao, Y C., Hoffmann, K., Schillberg, S & Emans, N (1999) Molecular farming of recombinant antibodies in plants Biol Chem , 380, 825-839 [10] Fulzele, D P & Heble, M R (1994) Large-scale cultivation of Catharanthus roseus cells: production of ajmalicine in a 20-l airlift bioreactor Journal of Biotechnology , 35(1):1-7 (1), 1-7 [11] Ginsberg, J (2003) The discovery of camptothecin and taxol American Chemical Society.https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/camptothecin taxol.html [12] Gonỗalves, S & Romano, A (2018) Production of Ppant secondary metabolites by using biotechnological tools In R Vijayakumar, Secondary Metabolites - Sources and Applications (pp 81-99) IntechOpen [13] Justin, N K., Edmond, S., Ally, R M & Xin He (2014) Plant secondary metabolites: Biosynthesis, classification, function and pharmacological properties Journal of Pharmacy and Pharmacology, 2, 377-392 [14] Malik, S., Bhushan, S., Sharma, M & Ahuja, P S (2014) Biotechnological approaches to the production of shikonins: A critical review with recent updates Critical Reviews in Biotechnology, 36 (2), 327-340 [15] Misawa, M (1994) Plant tissue culture: An alternative for production of useful metabolites Food and Agriculture Organization of the United Nations 89 Phạm Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật [16] Mulbagal, V & Tsay, H S (2004) Plant cell cultures-an alternative and efficient source for the production of biologically important secondary metabolites International Journal of Applied Science and Engineering, 2(1), 29-48 [17] Navia-Osorio, A., Garden, H., Cusido, R M., Palazon, J., Alfermann, A W &Pinol, M.T (2002) Taxol and baccatin III production in suspension cultures of Taxus baccata and Taxus wallichiana in an airlift bioreactor Journal of Plant Physiology, 159(1), 97-102 [18] Nguyễn Đức Lượng Lê Thị Thủy Tiên (2006) Công nghệ tế bào Đại học Quốc gia TP HCM [19] Nguyễn Hoàng Lộc (2007) Giáo trình cơng nghệ tế bào Đại học Huế [20] Pant, B (2014) Application of plant cell and tissue culture for the production of phytochemicals in medicinal plants Advances in Experimental Medicine and Biology , 808, 25-39 [21] Pliankong, P., Suksa-Ard, P & Wannakrairoj, S (2018) Chitosan elicitation for enhancing of vincristine and vinblastine accumulation in cell culture of Catharanthus roseus (L.) G Don Journal of Agricultural Science, 10(12), 287-293 [22] Ramani, S & Jayabaskaran, C (2008) Enhanced catharanthine and vindoline production in suspension cultures of Catharanthus roseus by ultraviolet-B light Journal of Molecular Signaling, 3(9), 1-6 [23] Sahraroo, A., Mirjalili, M H., Corchete, P., Babalar, M & Fattahi Moghadam, M R (2016) Establishment and characterization of a Satureja khuzistanica Jamzad (Lamiaceae) cell suspension culture: a new in vitro source of rosmarinic acid Cytotechnology, 68(4), 1415–1424 [24] Saito, K., Sudo, H., Yamazaki , M., Koseki-Nakamura, M., Kitajima, M., Takayama, H & Aimi, N (2001) Feasible production of camptothecin by hairy root culture of Ophiorrhiza pumila Plant Cell Reports, 20(3), 267-271 [25] Sakata, K., Morita, E & Takezono, T (1994) Production of podophyllotoxins using Podophyllum [26] Smetanska, I (2008) Production of secondary metabolites using plant cell cultures Advances in biochemical engineering/biotechnology, 111, 187-228 [27] Smith, J I., Smart, N J., Kurz, W G & Misawa, M (1987) Stimulation of indole alkaloid production in cell suspension cultures of Catharanthus roseus by abscisic acid, 53(5), 470-474 [28] Srinivasan, V., Pestchanker, L., Moser, S., Hirasuna, T J., Taticek, R A & Shuler, M L (1995) Taxol production in bioreactors: Kinetics of biomass accumulation, nutrient uptake, and taxol production by cell suspensions of Taxus baccata Biotechnology and Bioengineering, 47(6), 666-676 [29] Sudo, H., Yamakawa, T., Yamazaki, M., Aimi, N & Saito, K (2002) Bioreactor production of camptothecin by hairy root cultures of Ophiorrhiza pumila Biotechnology Letters, 24(5), 359363 [30] Tabata, H (2004) Paclitaxel production by plant-cell-culture technology Advances in Biochemical Engineering, 87, 1-23 [31] Vijaya Sree, N et al (2010) Advancements in the production of secondary metabolites Journal of Natural Products, 3, 112-123 90 ... Thị Mỹ Trâm… Sản xuất hợp chất thứ cấp phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật nuôi cấy mô tế bào thực vật thay cho trồng Việc sản xuất quy mô lớn thực thành công hợp chất shikonin chiết xuất từ Lithospermum... hợp chất thứ cấp từ tế bào thực vật in vitro đơn giản Đây ưu điểm để áp dụng phương pháp nuôi cấy tế bào thực vật với mục đích thương mại; (7) Ni cấy tế bào thực vật có khả tổng hợp chất mà chất. .. dần phương pháp truyền thống Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật phương pháp tiêu biểu cho tiềm thu nhận hợp chất thứ cấp có giá trị Hiện nay, sản xuất hợp chất thứ cấp qui mô lớn phương pháp nuôi