Sản xuất hợp chất tự nhiên “phi tự nhiên” bằng thực vật pdf

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.