Sản xuất hợp chất tự nhiên 'phi tự nhiên' bằng thực vật

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. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tự nhiên” bằng thực vật Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tựnhiên” bằng thực vậtTiến sĩ Sarah O’Connor, phó giáo sư hóahọc ở Học viện công nghệ Massachusetts(Hoa Kỳ) vừa công bố một công trình khoahọc vào tháng 11/2010 về khả năng điềuchỉnh con đường trao đổi chất của thực vậttheo ý muốn.Thực vật có khả năng tổng hợp hằng hà sasố các hợp chất thiên nhiên mà con ngườivẫn chưa kiểm soát được vì bản chất ditruyền, phát triển và sinh thái rất phức tạpcủa chúng. Vì thực vật quá phức tạp nên từlâu vi sinh vật đã chiếm vị trí thượng tôntrong các hoạt động sản xuất hợp chất thiênnhiên phục vụ con người, đơn giản chỉ vìngười ta dễ dàng điều khiển các tính trạngdi truyền vi sinh vật như các gene mã hóacho các con đường sinh tổng hợp được sắpxếp và điều hòa theo trật tự rõ ràng. Ở thựcvật thì trái lại, người ta vẫn chưa rõ có baonhiêu enzyme tham gia vào việc sinh tổnghợp các hợp chất tự nhiên, gene mã hóacho các enzyme này lại không được sắpxếp theo trật tự rõ ràng như ở vi sinh vật;ngoài ra, việc sinh tổng hợp các hợp chấtnày còn phụ thuộc sự phối hợp hoạt độnggiữa các loại tế bào chuyên biệt cho tổnghợp, vận chuyển, và lưu trữ. Sản xuất khốilượng lớn các hợp chất tự nhiên này là điềurất khó khăn, trong rất nhiều trường hợp làbất khả thi.Hiện nay, người ta thường sản xuất hợpchất thiên nhiên bằng cách đưa vào trong visinh vật (như vi khuẩn Escherichia coli hoặcnấm men) một vài gene có chức năng sinhtổng hợp hợp chất tự nhiên ở thực vật. Mộtví dụ thành công điển hình là công trình sảnxuất tiền chất của artemisinin (thuốc chốngsốt rét) với lượng đáng kể từ nấm men củaTiến sĩ Ro Dae-kyun ở Đại học California–Berkeley (Hoa Kỳ) (nay công tác tại Đại họcCalgary, Canada). Tuy nhiên, cho đến nayvẫn chưa có nhiều nghiên cứu về việc biếnđổi di truyền sinh tổng hợp các hợp chất tựnhiên trên chính đối tượng thực vật, đặcbiệt là khi người ta vẫn chưa biết hết cácenzyme tham gia vào con đường sinh tổnghợp hợp chất mong muốn, như trường hợpmonoterpene indole alkaloid trong nghiêncứu của Tiến sĩ O’Connor.Trong công trình của Tiến sĩ O’Connor, bàvà các cộng sự đã chuyển tế bào của câydừa cạn (Catharanthus roseus) thành cácnhà máy sản xuất hợp chất tự nhiên bằngcách kết hợp việc sử dụng gene từ vi sinhvật, kỹ thuật biến đổi enzyme cùng kỹ thuậtchuyển gene vào tế bào thực vật. Họ đãthành công trong việc tạo ra các hợp chấttự nhiên monoterpene indole alkaloid cóchứa chlor (Cl). Các alkaloid này bao gồmnhiều hợp chất có vai trò quyết định trongviệc chữa trị bệnh Hodgkin (ung thư hạchbạch huyết) và bệnh bạch cầu ác tính. Việcgắn thêm một nguyên tử Cl lên một phân tửalkaloid là điều trước đây người ta khôngthể làm được. Trong tương lai, chúng ta cóthể sử dụng phương pháp này để thay đổihoạt tính và tính chuyên biệt, đồng thời làmgiảm tác dụng phụ của thuốc.Các alkaloid này rất phức tạp, có chung tiềnchất là acid amine tryptophan và phân tửterpene 10 carbon là geraniol. Các tiền chấtnày thì đơn giản, nhưng sau khi đượcchuyển hóa với ít nhất 14 enzyme tham giathì sẽ trở thành hàng trăm loại monoterpeneindole alkaloid khác nhau. Một bước quantrọng trong con đường sinh tổng hợp này làviệc loại nhóm carboxyl từ phân tửtryptophan do enzyme tryptophandecarboxylase ở cây dừa cạn xúc tác, tạora carbon dioxide và chất trung giantryptamine. Tryptamin sau đó kết hợp vớihợp chất secologanin có gốc từ geraniol tạora strictosidine do enzyme strictosidinesynthase xúc tác. Strictodine này sau đó lạitiếp tục được biến đổi nhờ nhiều enzymekhác nhau để tạo ra hàng rất nhiều loạialkaloid đa dạng ở cây dừa cạn.Cây dừa cạn (Catharanthus roseus). Nguồn ảnh: PHOTOS HORTICULTURAL/PHOTOSHOTTrước đây, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩO’Connor đã chứng minh rằng tế bào dừacạn có thể thu nhận phân tử tương tự nhưtryptamin nhưng có thêm một nguyên tử Clvà tạo ra được sản phẩm alkaloid có gắnCl. Ban đầu các nhà khoa học hơi bất ngờkhi thấy tính “dễ dãi” của các enzyme khichấp nhận cơ chất không chuyên biệt (cóthêm Cl); tuy nhiên, sau đó họ nhận ra rằngđây tính chất không chuyên biệt về cơ chấtlà điều khá phổ biến ở các enzyme tham giasinh tổng hợp hợp chất tự nhiên. Trongcông trình mới này, Tiến sĩ O’Connor cònchứng minh thêm tính không chuyên biệtcủa enzyme “thượng nguồn” trướctryptamin là tryptophan decarboxylase.Sau khi đã xác định được các enzyme trongcon đường sinh tổng hợp monoterpeneindole alkaloid ở cây dừa cạn có khả năngchấp nhận cơ chất có thêm gốc Cl, Tiến sĩO’Connor và các cộng sự sử dụng cácenzyme halogenase từ vi khuẩn đất để gắnnhóm Cl vào hai nguyên tử carbon chuyênbiệt trên vòng tryptophan. Sản phẩm tạo ralà hai loại phân tử strictosidine với hai vị tríCl khác nhau. Kết quả cho thấy chỉ có mộtloại strictosidine gắn Cl được các enzyme“hạ nguồn” chấp nhận. Các tác giả đã sửdụng lại một kết quả nghiên cứu trước đâyvề cấu trúc enzyme strictos ...