Những khám phá mới về Trehalose

TREHALOSE
Trehalose là một trong những loại đường mang nhiều đặc tính
sinh học đáng quý, có nhiều công dụng đối với cuộc sống con
người, được sử dụng nhiều trong việc sản xuất sữa, bánh kẹo,
thực phẩm chức năng cho người bệnh…thậm chí được coi như
một loại dược phẩm trong nhiều trường hợp. Trehalase là
enzyme được sử dụng để sản xuất Trehalose. Trên thị trường
Việt Nam hiện nay chủ yếu nhập chế phẩm này từ nước ngoài
nên giá thành tương đối cao. Vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất
enzyme Trehalase không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá
trị kinh tế xã hội.
1. Đặc điểm
a.

Cấu trúc

- Trehalose có 3 đồng phân chính ( đã được công nhận) là α,
α-Trehalose; α,β-trehalose; β,β-trehalose. Trong báo cáo này, (α,α-Trehalose) là đối tượng
duy nhất được đề cập khi nhắc đến trehahalose. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính
trong các đề tài nghiên cứu về trehalose do α,α-trehalose là đồng phân duy nhất của
trehalose đã được chứng minh là sinh tổng hợp ở nhiều loại sinh vật khác nhau, nên mang
nhiều giá trị ứng dụng trong thực tế.

Trehalose, còn gọi là mycose hoặc tremalose, là
một disaccharide liên kết alpha tự nhiên được hình thành bởi
một liên kết α, α-1,1-glucoside giữa hai đơn vị α-glucose, trong
đó hai phân tử glucose được liên kết với nhau trong một liên kết
1,1-glycosidic. Về cơ bản, Trehalose có cấu trúc giống như
Sucrose và Maltose do cùng là một disaccharide.
-

Cấu trúc phân tử
trehalose
b. Tính chất vật lý
- Trehalose là một đường tự nhiên với chức năng tương tự như
đường sucrose nhưng ổn định hơn và có vị ngọt nhẹ hơn.
Trehalose là đường đa chức năng, vị ngọt nhẹ của nó (45%
sucrose).


Biểu đồ hàm lượng ngọt đường trehalose, maltose, glucose,
sucrose
Xét về tính tan, trehalose có độ tan thấp hơn sucrose khi ở
nhiệt độ thấp nhưng lại tan mạnh hơn khi ở nhiệt độ cao ( lớn
hơn 80oC)

Sơ đồ so sánh tính tan của trehalose và sucrose
Trehalose có khả năng giữ nước cao, và được sử dụng
trong thực phẩm và mỹ phẩm. Đường được cho là tạo thành một
pha gel khi tế bào mất nước, ngăn ngừa sự gián đoạn của các tế
bào trong tế bào. Sự mất nước sau đó cho phép hoạt động của tế
bào được tiếp tục mà không có thiệt hại nghiêm trọng, gây chết
người.
c. Tính chất hóa học
Trehalose một loại đường có cấu trúc bền vững, không phản
ứng hóa học với axit amin hoặc protein trong quá trình chế biến v


à bảo quản. Nhờ có cấu trúc hóa học độc đáo,Trehalose bền vững
trong điều kiện pH thấp, thậm chí tại nhiệt độ cao. Không giống

như các đường đôi khác, Trehalose không bị thủy phân thành các
thành phần có thể phản ứng với axit amin và protein. Trong các
sản phẩm thực phẩm và đồ uống, tính trơ của Trehalose giúp giữ
ổn định các tính chất ban đầu của sản phẩm, thậm chí sau khi
được chế biến ở nhiệt độ cao và thời gian bảo quản lâu dài.
d. Phân bố trong tự nhiên
Trehalose là một nguồn cacbonhydrete quan trọng xuất hiện ở
hầu hết các loại sinh vật, trừ lớp sinh vật có vú

d. Enzyme thủy phân trehalase: Trehalase
Trehalase là một loại enzyme glycoside hydrolase có tác dụng xúc tác cho
quá trình chuyển đổi trehalose thành glucose. Nó được tìm thấy trong hầu hết
các động vật được thủy phân vào 2 phân tử glucose bằng enzyme Trehalase. Có
2 loại Trehalase được tìm thấy trong Saccharomyces cerevisiae (nấm men), là
Trehalase trung tính (NT)và Trehalase axit (AT) được phân loại dựa vào độ pH
của chúng [4]. NT có độ pH là 7.0 trong khi AT là 4.5.
*Trong vi khuẩn
Trehalose được tìm thấy như tích lũy carbonhydrate trong Pseudomonas,
Bacillus, Rhizobium và trong rất nhiều khuẩn tia và là nguyên nhân của khả
năng kháng khuẩn. Hầu hết các enzyme Trehalase tách biệt với các vi khuẩn có
độ pH từ 6.5 đến 7.5.
* Trehalase trong thực vật
Trehalose được tìm thấy từ rất nhiều loài cây không hoa bao gồm
Selaginella lepidophylla và Botrychium lunaria; đường rất hiếm trong cây có
mạch và chỉ được tìm thấy trong quả chín của các loại thuộc Apiaceae và trong
lá cây của thực vật hạt kín có khả năng chịu khô hạn như Myrothamnus
flabellifolius.
Tuy nhiên enzyme Trehalase lại phổ biến trong các loại cây. Điều này rất

khó hiểu vì tuy thiếu cơ chất nhưng Trehalase lại có mặt ở các loại thực vật bậc
cao. Không có sự chứng minh rõ ràng nào về vai trò hoạt động của Trehalase
trong thực vật. Trehalases có thể đóng vai trò trong cơ cấu kháng khuẩn hoặc
enzyme có thể đóng vai trò trong việc giảm lượng Trehalose có nguồn gốc từ vi
sinh thực vật
* Trehalase trong nấm men
Trong S.cerevisiae có ít nhất 2 enzyme Trehalase khác biệt được tìm thấy.
Một loại được điều hòa bởi cAMP-phụ thuộc phosphorylation. Hoạt động của
loại enzyme này được tìm thấy trong dịch bào tương. Loại enzyme hoạt động
thứ hai được tìm thấy trong các không bào của 12 vi sinh vật tương ứng. Nồng
độ pH của Trehalase dịch bào tương vào khoảng 7.0 do đó nó được cho vào
cùng loại với Trehalase trung tính. Trong khi đó, enzyme Trehalase không bào
được cho rằng có khả năng hoạt động tốt nhất tại độ pH khoảng 4.5 và được coi
là Trehalase axit. Hai loại enzyme này mã hóa bởi hai loại gen khác nhau là
NTH1 và ATH1

2. Chức năng trehalose trong cơ thể sinh vật
a. Dự trữ năng lượng carbohydrate
Ở côn trùng, trehalose là một loại đường chính trong cơ bắp
và cơ ngực và được tiêu thụ trong suốt chuyến bay. Do quá trình
cần nguồn năng lượng lớn và liên tục, một phân tử trehalose
giải phóng hai phân tử của glucose nên sẽ tăng gấp đôi hiệu
quả so với việc sử dụng glucose từ tinh bột polyme lưu trữ.
Trehalose cũng là một thành phần quan trọng trong bào tử
nấm, thủy phân trehalose là điều kiện quan trọng trong quá
trình nảy mầm sớm và có thể được sử dụng như một nguồn
carbohydrate và glucose.
b. Bảo vệ tế bào trong nhiều điều kiện khác nhau

Một số sinh vật có thể tồn tại khi cơ thể đã mất tới 99% lượng
nước trong cơ thể. Chúng đợi tới khi gặp được điều kiện thuận lợi,
cơ thể chúng sẽ hấp thu nước từ môi trường và tieepsp tục chu
trình sống. Các sinh vật này được gọi là anhydrobiosis và thường
chứa nồng độ trehalose cao trong cơ thể.
Một số thực vật có thể tăng khả năng chống chịu các thời tiết
khắc nghiệt, đặc biệt là hạn hán nếu tăng hàm lượng treholose
nội bào của chúng. Ví dụ, cây thuốc lá chuyển gen được thiết kế
để tạo ra một lượng đáng kể trehalose bằng cách đưa các gen E.
coli otsA và otsB vào tổng hợp trehalose. Các cá thể mới có thể
duy trì trạng thái khô trong 5 ngày, tăng hiệu suất sinh trưởng
trong điều kiện hạn hán.
Nghiên cứu của Singer.MA và Lindquist, S. (1998) đã chứng
minh trehalose bảo vệ tế bào khỏi nhiệt bằng cách ổn định
protein ở nhiệt độ cao. Sử dụng hai protein nhạy cảm với nhiệt độ
khác nhau, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các enzyme có khả
năng duy trì hoạt động tốt hơn trong quá trình sốc nhiệt nếu các
tế bào có sản xuất trehalose.
Ngoài ra không thể không nhắc tới khả năng bảo vệ khỏi
lạnh của trehalose . Một chủng đột biến của vi khuẩn E.
coli không thể sản xuất trehalose chết nhanh hơn nhiều so với
chủng loại hoang dã ở 4 ° C. Các nghiên cứu khác cho thấy rằng
các tế bào xuống từ 37 ° C đến 16 ° C làm tăng gấp tám lần mức
trehalose và tăng đáng kể nồng độ mRNA đối với otsA và
otsB. Nguyên nhân có thể do trehalose ngăn chặn sự biến tính
và tập hợp các protein cụ thể ở nhiệt độ lạnh. Trehalose cũng có
thể ổn định màng tế bào có tính lưu động giảm trong khi giảm
nhiệt độ. Do đó, trehalose ngoại sinh đã được chứng minh là bảo
vệ một loạt các sinh vật chống đóng băng, với sự bảo vệ tối đa
được thấy khi trehalose có mặt ở cả hai bên của màng tế bào.

c. Là một thành phần cấu trúc của thành tế bào vi khuẩn
Trong mycobacteria và corynebacteria, trehalose là thành
phần cơ bản thành tế bào glycolipid. Thành tế bào của M.
tuberculosis có chứa axit béo mycolic bị este hóa thành nhóm
6-hydroxyl kết hợp với glucose để tạo ra trehalosedimycolate. Lipid này chịu trách nhiệm chính về tính thấm thấp


của thành tế bào mycobacteria, tạo ra sức kháng thuốc đáng kể
cho các sinh vật này.
3. Ứng dụng của trehalose trong sản xuất.
a. Trong thực phẩm
Giống như các loại đường khác, Trehalose có thể được dùng khô
ng hạn chế trong rất nhiều loại thực phẩm, bao gồm đồ uống, k
ẹo sôcôla và kẹo đường, bánh ngọt, thực phẩm đông
lạnh, ngũ cốc ăn sáng và các sản phẩm sữa.
+ Bánh ngọt: điều chỉnh độ ngọt của các loại bánh ngọt và
bánh quy, kem, bánh kem và bánh hoa quả nhưng vẫn giữ
nguyên hương vị của sản phẩm và không ảnh hưởng đến thời
hạn bảo quản. Trehalose đồng thời cũng làm giảm độ béo trong
các loại bánh quy ngọt, bánh kem và lớp phủ kem, đường trên
bánh ngọt. Trong các loại bánh quy và thức ăn nhanh thơm
ngon, có thể sử dụng đường tảo để tạo ra các hương vị mới. Nó
làm cho người tiêu dùng thích thưởng thức hơn do khả năng
thay đổi độ ngọt trong các sản phẩm có hàm lượng calo cao,
chứa nhiều mỡ và đường. Trehalose làm giảm độ ẩm trong các
sản phẩm bánh ngọt đa thành phần bằng cách tối ưu hóa độ
ngọt trong khi vẫn giữ nguyên thời hạn bảo quản.
+ Kẹo Sôcôla: Trehalose được dùng để điều chỉnh độ ngọt trong
kẹo sôcôla. Trehalose đặc biệt hữu ích khi được sử dụng trong
các sản phẩm bổ sung bao gồm các loại váng sữa, kẹo mềm và

hoa quả. Đồng thời, đường tảo sẽ làm giảm độ ẩm của sản
phẩm đa thành phần. Trong các sản phẩm tạo khuôn, khả năng
điều chỉnh độ ngọt của đường tảo có thể tạo ra hương vị sôcôla
mới. Trehalose ít gây sâu răng nên được sử dụng tạo ra các sản
phẩm “có lợi cho răng” kết hợp với các loại đường thông
thường. Trehalose có thể phối hợp với rượu trong công nghệ chế
biến sôcôla.
+ Thực phẩm đông lạnh: Trehalose có tác dụng làm giảm nhiệt
độ đông lạnh của kem và các thực phẩm đông lạnh khác. Nhờ
có độ ngọt thấp hơn đường sacharose nên đường tảo có thể


dùng trong sản xuất các loại kẹo và thực phẩm đông lạnh thơm
ngon mới lạ.
+ Kẹo ngọt: Khi kết hợp với các loại đường khác, trehalose có
thể sử dụng trong sản xuất kẹo ngọt, đặc biệt trong các sản
phẩm có chứa hàm lượng nước trái cây và thảo mộc cao, để
điều chỉnh độ ngọt và mang lại đầy đủ mùi vị. Quá trình này đặc
biệt quan trọng đối với các sản phẩm hướng tới người tiêu dùng
trẻ tuổi. Đường tảo bền vững và không bị thủy phân trong quá
trình chế biến. Nó cũng được sử dụng để tráng bên ngoài các
loại kẹo để tạo lớp vỏ bền, không hút ẩm. Tính chất bền vững
cao trong quá trình chế biến của đường tảo giúp cho dịch đường
giữ nguyên màu và không bị thủy phân ở nhiệt độ cao.
+ Sản phẩm năng lượng: Trehalose được chuyển hóa thành
đường gluco, tạo ra lượng đường gluco trong máu cân bằng hơn
so với các loại đường khác. Tính chất độc đáo này của
trehalose, kết hợp với tính ít gây sâu răng và không gây nhuận
tràng, giúp cho loại đường này đặc biệt thích hợp với các loại đồ
uống cung cấp năng lượng vừa đủ, tránh mệt mỏi và căng

thẳng
b. Trong y-sinh học
Trehalose mang nhiều đặc tính y-sinh quan trọng và đã được
chứng minh trong rất nhiều các công bố khoa học. Nhưng việc
ứng dụng những công bố đó vào thực tiễn vẫn còn tương đối
hạn chế
+Trehalose cũng được dùng như một chất ổn định protein trong
nghiên cứu. Đặc biệt hiệu quả khi kết hợp với các ion
phosphate. Trehalose cũng được sử dụng trong công thức một
số kháng thể đơn dòng: trastuzumab và bevacizumab (tên
thương mại là Herceptin và Avastin tương ứng), Genntech và
Ranibizumab (tên thương mại Lucentis và Novartis)
+Mỹ phẩm: Tận dụng khả năng giữ ẩm của trehalose, nó được s
ử dụng như một loại kem dưỡng ẩm trong nhiều sản phẩm vệ
sinh cơ bản như dầu tắm và thuốc mọc tóc


+
Dược phẩm: Sử dụng bản chất của trehalose bảo vệ tế bào và p
rotein,nó được sử dụng trong các giải pháp bảo vệ nội tạng để
cấy ghép nội tạng
+Ngoài ra, Trehalose cũng được sử dụng như một loại dược phẩ
m dùng nhiều cho các đối tượng người già và trẻ em, người
bệnh trong thời kỳ phục hồi sức khỏe để tăng cường hoạt động
tiêu hóa, giúp nhuận tràng, ăn tốt
4. Sinh tổng hợp Trehalose
Có rất con đường sinh tổng hợp trehalose đã được kiểm chứng
và công nhận. Các con đường đặc trưng bởi các phức hệ
enzyme/phức hệ emzyme sau:
4.1. Trehalose-6-phosphate / trehalose-6-phosphate phosphatase (TPS/TPP)

4.2. Trehalose synthase (TreS) ( duy nhất chỉ có ở vi khuẩn: Trehalose cũng có
thể được tổng hợp trực tiếp từ maltose qua trehalose synthase)
4.3. Maltooligosyltrehalose synthase / hydrolase (TreY/TreZ)
4.4. Trehalose glycosyltransferring synthase (TreT) (chủ yếu trong vi khuẩn
hyperthermophilic và archaea)
4.5. Trehalose-6-phosphate ( TPS: chủ yếu chỉ có ở côn trùng)
4.6. Trehalose 6- phosphate synthase / trehalose 6- phosphate
phosphatase (TPS1/TPS2) ( nấm men
Trong một sinh vật, quá trình sinh tổng hợp trehalose diễn ra không chỉ có một
con đường duy nhất. Một sinh vật có nhiều con đường tổng hợp trehalose khác
nhau: mycobacteria và corynebacteria có ba con đường để tổng hợp trehalose;
Corynebacterium glutamicum sử dụng TreS kết hợp TreY/TreZ ... Tiêu biểu nhất
là Rubrobacter xylanophilus có cả 4 con đường.
a.

TPS/TPP

Trong tất cả các con đường trên, con đường đầu tiên là chiếm ưu thế nhất do nó
đã được chứng minh là cách sinh tổng hợp trehalose ở hầu hết các sinh vật, được
nghiên cứu và sử dụng rộng nhất.


Con đường sinh tổng hợp trehalose. Glucose từ UDP-glucoza hoặc
một đường glucotide khác biến đổi thành glucose-6-phosphate để tạo
thành trehalose-6-phosphate bằng trehalose-P synthase (TPS) và sau
đó khử phosphoryl hóa trehalose-P bằng trehalose-P phosphatase
(TPP)

Quá trình tổng hợp trehaose trên bao gồm 2 phản ứng chính
sau:

- UDP-glucose + glucose 6-phosphate → trehalose phosphate + UDP
- Trehalose- phosphat → trehalose + Pi
b. TreY/TreZ
Tuy nhiên, có một con đường tuy không phổ biến bằng
TPS/TPP nhưng cũng có giá trị nghiên cứu lớn
làTreY/TreZ. Trong quá trình, tiền chất polysaccharide (tức là
glycogen) được thay đổi đầu tiên ở đầu cuối α 1,1 đường bị
ràng buộc bởi maltooligosyltrehalose synthase (TreY), và sau
đó trehaloseđược tách ra bởi maltooligosyltrehalose
trehalohydrolase (TreZ):
- (TreY) α-1,4-polyglucose → α-1,1-maltooligosyltrehalose


- (TreZ) α-1,1-maltooligosyltrehalose → trehalose + α-1,4
polyglucose (n-2)
Phân tích phân tử của tổng hợp trehalose ở vi khuẩn lam cho
thấy rằng con đường TreY/TreZ được sử dụng chủ yếu. Sự xuất
hiện của con đường TreY/TreZ trong vi khuẩn lam lần đầu tiên
được kiểm chứng trong quá trình nghiên cứu một cụm gen điều chỉnh dưới sự khô hạn ( Higo, Katoh, Ohmori, Ikeuchi, &
Ohmori, 2006 ). Ngoài gen mã hóa TreY và TreZ, operon này mã
hóa cho một trehalase.
e. TPS1/TPS2
Đây là con đường tổng hợp đặc trưng của nấm men

Trehalose được tổng hợp thành hai bước (mũi tên dày hơn)
bắt đầu từ đường uridine-diphospho-glucose (UDP-glucose) và
glucose 6-P. Các enzym xúc tác tổng hợp, trehalose 6-P
synthase (TPS1) và trehalose 6-P phosphatase (TPS2)
Sự tổng hợp bắt đầu với việc chuyển một lượng glucosyl từ
uridine-diphospho-glucose thành glucose 6-P để cung cấp cho

T6P sau đó được dephosphoryl hóa để tạo ra
trehalose. Trong Saccharomyces cerevisiae , các enzym xúc tác
phản ứng sinh tổng hợp trehalose, tổng hợp T6P (TPS1) và T6P


phosphatase (TPS2), là một phần của phức hợp trong đó hai
protein khác, Tsl1 và Tps3
Khi đem giải trình tự, Tsl1 và Tps3 tương đồng về trình tự
cao. Việc xóa các tiểu đơn vị này cũng gây ra một sự thay đổi
về tác dụng của phosphate trên hoạt động tổng hợp của T6P:
nó được kích hoạt bởi phosphate thay vì ức chế.
5. Gen mã hóa các emzym tổng hợp trehalose
a. Gen mã hóa TPS và TPP
Chính vì tầm quan trọng và phổ biến của TPS và TPP trong
việc sinh tổng hợp trehalose của hầu hết các sinh vật nên việc
tách dòng gen mã hóa các 2 emzym đóng vai trò rất quan
trọng trong việc nghiên cứu trehalose và các ứng dụng của nó.
- Gen mã hóa TPS là ostA,
b. Gen mã hóa TPS1 và TPS2
6. Các công bố khoa học về việc phân lập các emzym
tổng hợp trehalose
Công bố

Ngày
xuất bản

Ghi chú


Analysis and DNA sequence of the

1989
osmoregulatedtreAgene encoding the
periplasmic trehalase ofEscherichia coli K12
Link:
/>903
Trehalose transport and metabolism in Escherichia 1990
coli.
/>9157/
Cloning and characterization of genes encoding
2003
trehalose-6-phosphate synthase (TPS1) and
trehalose-6-phosphate phosphatase (TPS2)
from Zygosaccharomyces rouxii

Giải trình tự gen mã hóa
treA

Có giải trình tự các gen mã
hóa các enzyme tổng hợp
trehalose ở vi khuẩn
Tách dòng ở nấm men, có
khả năng áp dụng cao

Link:
/>682044#89586987

The importance of a functional trehalose
biosynthetic pathway for the life of yeasts and fungi
Link:

2004

Có giá trị tham khảo lớn
khi tách dòng ở nấm men
(TPS1/TPS2)

/>Distribution of Genes for Synthesis of Trehalose
2005
and Mannosylglycerate in Thermus spp. and Direct
Correlation of These Genes with Halotolerance
Link:
/>87547/#r1

Tách dòng ở vi khuẩn
(TPS/TPP)


A Unique Combination of Genetic Systems for the
Synthesis of Trehalose in Rubrobacter xylanophilus:
Properties of a Rare Actinobacterial TreT

2008

Link:
/>93226/

Expression Analysis of Two Genes Coding for
Trehalose-6-Phosphate Synthase (TPS), in
Sugarcane (Saccharum spp.) under Water Stress

Hệ thống sinh tổng hợp
trehalose qua 4 con
đường ở Rubrobacter
xylanophilus

2013

Link:
/>74080239_Expression_Analysis_of_Two_Gen
es_Coding_for_Trehalose-6Phosphate_Synthase_TPS_in_Sugarcane_Sac
charum_spp_under_Water_Stress
Invertebrate Trehalose-6-Phosphate Synthase
2018
Gene: Kiến trúc di truyền, Hóa sinh, Chức năng
sinh lý và các ứng dụng tiềm năng
Link:
/>97772/

Mới,nói chi tiết về
TPS, gen mã hóa TPS,
quá trình sinh tổng
hợp mới được chỉnh
sửa ở côn trùng