Tiến bộ trong công nghệ DNA cho phép giải mã nhanh chóng và chính xác nhiều hệ gen. Vì vậy khi giải trình tự gen của Streptomyces sp. cho thấy trên trình tự gen của các chủng xạ khuẩn có nhiều đoạn gen mã hóa sản phẩm thứ cấp mong muốn nhƣ thuốc kháng sinh, enzyme, sắc tố…(Ochi, 2007), tuy nhiên chỉ có một phần nhỏ các sản phẩm này đƣợc tiết ra trong quá trình lên men. Vì vậy, làm thế nào để kích hoạt các con đƣờng sinh tổng hợp “lặng” đang là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu (Davati và cs., 2013). Do đó, sau năm 1970, sự ra đời của công nghệ ribosome cho phép cải thiện nhanh chóng năng suất cũng nhƣ tạo ra các sản phẩm có hoạt tính sinh học mới từ những gen ngủ trong hệ gen vi sinh vật (Davati và cs, 2013). Công nghệ này có những ƣu điểm vƣợt trội là: (a) hoạt hóa các cụm gen ngủ và (b) nhanh chóng tăng sản lƣợng sản phẩm (Davati và cs., 2013).
Khái niệm "công nghệ ribosome" xuất phát từ sự phát hiện S. lividans kháng streptomycin có khả năng sản xuất với số lƣợng lớn actinorhodin trong khi chủng tự nhiên không có khả năng này (Lai và cs, 2002). Chủng kháng kháng sinh đột biến ở gen mã cho protein ribosome S12 (Lai và cs, 2002).
Hạn chế nguồn amino acid
Bào tử khuẩn ti khí
Biến đổi hình thái
Chất thứ cấp
Hình 1.6. Cơ chế tác động ppGpp làm tăng lƣợng sản phẩm thứ cấp của ribosome (Ochi, 2007).
Nghiên cứu của Ochi (2007) cho thấy ở vi khuẩn, khi điều kiện môi trƣờng thay đổi theo hƣớng bất lợi (ví dụ cạn kiệt nguồn dinh dƣỡng), chúng ngừng mọi hoạt động để tồn tại. Một số vi khuẩn sẽ khởi động quá trình biến đổi hình thái tạo bào tử. Khi nguồn amino acid bị thiếu hụt, các tRNA không mang amino acid đi vào vị trí A của
ribosome 50S đang tổng hợp protein, cùng với protein L11 của tiểu phần ribosome 50S hoạt hóa gen relA tổng hợp protein RelA. Protein này sẽ xúc tác phản ứng giữa GDP và ATP để tổng hợp phân tử ppGpp (guanosine – 5‟diphosphate – 3‟diphosphat) và pppGpp. Tiếp đó, ppGpp sẽ hoạt hóa lại các promoter đang bị khóa đồng thời kích hoạt các RNA polymerase (trên tiểu phần β của RNA polymerase (RNAP) có vị trí nhạy cảm với ppGpp) để tổng hợp sản phẩm cần thiết cho sự sống sót của tế bào nhƣ các enzyme, chất kháng sinh và chất mầu (Hình 1.6) (Ochi, 2007).
Nhiều nghiên cứu cho thấy công nghệ ribosome tác động chủ yếu theo hai con đƣờng chính: Gây đột biến gen mã hóa cho protein ribosome S12 và gây đột biến gen mã hóa cho tiểu phần β của RNAP (Hình 1.7) (Ochi, 2007).
Đột biến S12
70S
Tăng nhân tố phiên mã
Kích thích dịch mã ở pha sinh trƣởng cân
bằng Thiếu hụt amino acid Đột biến rif RNA polymerase đột biến Kết hợp với các yếu tố phiên mã
Hoạt hóa các gen ngủ
Tăng tổng hợp enzyme và chất thứ cấp
(A) (B)
Hình 1.7. Công nghệ ribosome. (A). Con đƣờng gây đột biến gen rpL mã hóa
protein ribosome S12; (B) Con đƣờng gây đột biến gen rpoB mã hóa cho tiểu phần β của RNAP (Ochi, 2007).
Khi phân tích cấu trúc tiểu phần β của RNAP ở các chủng Escherichia coli, S.
coelicolor và B. subtilis ngƣời ta thấy rằng:
Trên cấu trúc tiểu phần β của RNAP, có 4 vùng mang chức năng quan trọng, trong đó vùng nhạy cảm với ppGpp rất gần với vùng gắn rifampicin (Jin, 1998). Vì vậy, khi đột biến vào vùng nhạy cảm với rifampicin sẽ ảnh hƣởng tới hoạt động của RNAP, thông qua đó có thể ảnh hƣởng tới chức năng của vùng liên kết với ppGpp.
Hệ quả làm cho ribosome của thể đột biến tổng hợp nhanh chóng sản phẩm thứ cấp mong muốn (Ochi, 2007).
Hình 1.8. Cấu trúc tiểu phần β của RNAP ở Escherichia coli, Streptomyces coelicolor, Bacillus subtilis, Mycobacterium leprae (Davati và cs., 2013).
Do vậy, công nghệ ribosome quan tâm đến việc sử dụng kháng sinh để sàng lọc các thể kháng thuốc có khả năng tăng cƣờng sản xuất kháng sinh, enzyme (Ochi, 2007; Wang và cs, 2008) cũng nhƣ tăng cƣờng khả năng chịu hợp chất độc hại (Hosokawa và cs, 2002). Có thể kể tới một số thành tựu tiêu biểu nhƣ: Wang và cộng sự đã tạo ra thể S.
coelicolor mang tám đột biến điểm khác nhau làm cho lƣợng sản phẩm actinorhodin tăng
lên 280 lần (Wang và cs, 2008). Một thành công mới nhất trong 2013, Tanaka và Ochi tạo ra thể Paenibacillus agaridevorans mang 3 đột biến điểm nhƣng lại cho lƣợng
enzyme cycloisomalto – oligo – saccharide – glucano – transferase tăng lên 1000 lần (Ochi và Hosaka, 2013). Trên S. chattanoogensis, gần một nửa thể đột biến kháng
streptomycin cho lƣợng sản phẩm fredericamycin cao gấp 5 lần và một trong số đó cho lƣợng sản phẩm cao gấp 26 lần so với chủng thuần (Ochi và Hosaka, 2013). Hơn nữa, khi nghiên cứu trên S. antibioticus và S. lavendulate, các thể đột biến không những cho lƣợng sản phẩm cao hơn so với chủng thuần mà tần số thu đƣợc thể đột biến mong muốn cũng cao hơn hẳn so với các công nghệ khác (3-4%) (Ochi, 2007; Ochi và Hosaka, 2013). Ở B. subtilis, đột biến kháng streptomycin làm tăng lƣợng sản phẩm enzyme α – amylase lên 20 – 30% và lƣợng sản phẩm này cũng tăng từ 1,5 – 2 lần với thể đột biến kháng rifampicin (Kurosawa và cs, 2006).
Nhƣ vậy, công nghệ ribosome kích thích sự hoạt động gen ngủ (Hosokawa và cs, 2002; Kurosawa và cs, 2006; Ochi, 2007; Ochi và Hosaka, 2013) của vi sinh vật làm cho lƣợng sản phẩm tăng vƣợt trội so với chủng thuần. Các cơ chế phân tử liên quan đến công nghệ này đã đƣợc tổng kết và đánh giá trong nhiều công trình nghiên cứu (Lai và
cs, 2002; Ochi, 2007; Ochi và Hosaka, 2013; Wang và cs, 2008). Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu và ứng dụng công nghệ ribosome dƣờng nhƣ chƣa công bố với các chủng vi sinh vật ở Việt Nam.