Sinh học ứng dụng ( phần 2 ) Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tự nhiên” pps

Sinh học ứng dụng ( phần 2 )
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.
Phân compost làm từ rác hữu cơ sử dụng hiệu quả
Nhằm thích ứng với tình hình biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng
phức tạp, Hội Liên hiệp phụ nữ Cà Mau đang vận động người dân thực
hiện chương trình làm phân compost từ rác hữu cơ.

(Ảnh minh họa)
Cà Mau là một trong những tỉnh đầu tiên ở miền Tây Nam Bộ thực hiện
việc tạo phân compost từ rác hữu cơ.
Bà Huỳnh Kim Duyên, Phó Chủ tịch Hội phụ nữ tỉnh, người đã thử
nghiệm mô hình tạo phân hữu cơ tại nhà và đang tuyên truyền rộng rãi
đến với người dân cho biết, bà được cử đi tham quan mô hình này ở
Malaysia, rồi về học hỏi mô hình ủ phân compost ở các tỉnh miền Trung,
sau đó bà đã làm ra phân compost từ rác thải hữu cơ. Bà Duyên đã dùng
phân này bón cho rau, cây hoa trong nhà, rau và cây rất xanh tốt.
Mô hình làm phân compost từ rác thải hữu cơ có tác dụng lớn đối với môi
trường, với nhận thức của người dân và với vấn đề kinh tế.
Để làm phân compost, trước tiên phải có dụng cụ chứa rác hữu cơ như
thùng gỗ, thùng xốp, hoặc thùng nhựa lớn đục nhiều lỗ nhỏ xung quanh
để có không khí, có hai cửa phía dưới để lấy phân thành phẩm ra ngoài.
Rác hữu cơ bỏ vào trong thùng là các loại thức ăn thừa, phần bỏ đi của
rau, củ quả, lá cây, cỏ…
Hàng ngày, người dân có thể bỏ các loại rác hữu cơ vào thùng, nếu trong
thùng khô quá thì cho thêm một ít nước để tăng độ ẩm. Rác hữu cơ sẽ
được phân hủy và xẹp dần xuống, sau 60 ngày, rác sẽ phân hủy thành
phân compost có độ mịn, tơi xốp, màu đen không mùi. Phân này đem bón
cho cây, hoa, rau màu vô cùng tốt, rau xanh mướt, hoa nở to đẹp, cây mau
lớn, cho nhiều trái.

Vừa qua, Chi cục Bảo vệ môi trường tỉnh Cà Mau đã hỗ trợ kinh phí mở
các lớp tập huấn và 100 thùng composit (thùng nhựa có thể tích 140 lít),
mỗi thùng sau khi khoan lỗ và làm cửa có giá 300.000 đồng. Mỗi người
dân đăng ký thực hiện làm phân compost từ rác hữu cơ sẽ đóng 60.000
đồng để nhận thùng làm phân.
Theo bà Kim Duyên, người dân đóng số tiền này để họ coi thùng ủ phân
là tự họ mua và có trách nhiệm thực hiện việc làm phân hữu cơ hơn. Số
tiền người dân đóng được làm kinh phí để mua thêm thùng cho khác hộ
khác, từ 100 thùng ban đầu, nhờ cách làm này mà hội cung cấp 124 thùng
nhựa cho người dân làm phân compost.
Chương trình ủ phân compost từ rác hữu cơ được thí điểm từ tháng
6/2010, sau khi tạo ra phân compost sử dụng để bón cho cây, rau màu có
hiệu quả thì bắt đầu tập huấn và áp dụng thực hiện rộng rãi từ tháng
12/2010.
Hiện nay, một số hộ đã thu được phân compost, chủ yếu dùng để bón cây
trong gia đình, ban đầu có kết quả tốt, người dân đang rất phấn khởi với
sản phẩm do mình làm ra và hiệu quả do loại phân bón này mang lại.
Bà Duyên cho biết, phân compost không gây ra mùi hôi thối, ô nhiễm,
nếu thùng ủ phân có mùi thì có thể dùng cỏ, lá cây hay giấy báo đậy lên
trên bề mặt rác sẽ làm giảm mùi, rồi tiếp tục cho rác hữu cơ vào thùng.
Hội đang chờ kết quả đồng loạt từ các vùng thực hiện chương trình này
và sẽ tiếp tục mở rộng mô hình làm phân compost ở nhiều nơi trong toàn
tỉnh với nguồn kinh phí hỗ trợ từ các cơ quan trong tỉnh và những dự án
do các tổ chức phi chính phủ tài trợ.