Các nhà nghiên cứu giúp vi sinh vật sinh tổng hợp những phân tử nhờ ánh sáng

Nhóm nghiên cứu bao gồm (từ trái sang): Nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Yujie Yuan, giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử Huimin Zhao, nghiên cứu sinh Wesley Harrison, Nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Zhengyi Zhang và Nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Maolin Li (không có trong ảnh). Nguồn: Isaac Mitchell.

Các nhà nghiên cứu luôn tìm kiếm những phương pháp nhằm tiếp cận cấu trúc tế bào của các loài vi sinh vật như nấm men và vi khuẩn để tổng hợp các sản phẩm hữu ích cho con người và xã hội. Trong một nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu của Viện Sinh học Gen Carl R. Woese cho biết họ đã mở rộng khả năng sinh tổng hợp của các vi sinh vật này bằng cách sử dụng ánh sáng để hỗ trợ các quá trình chuyển đổi hóa học.

Bài báo được công bố trên tạp chí Nature Catalysis đã chứng minh cách vi khuẩn E.coli được biến đổi gen để tổng hợp các phân tử mới bên trong cơ thể sống bằng cách sử dụng các phản ứng enzyme được điều khiển bằng ánh sáng. Nghiên cứu này đặt nền tảng cho sự phát triển của lĩnh vực xúc tác quang sinh học trong tương lai.

“Xúc tác quang sinh học về cơ bản là quá trình xúc tác của các enzyme được điều khiển bằng ánh sáng. Không có ánh sáng, enzyme mục tiêu không thể xúc tác phản ứng. Khi có ánh sáng chiếu vào, enzyme mục tiêu sẽ được hoạt hóa”, Huimin Zhao cho biết. “Chúng tôi đã đăng trên nhiều tạp chí để chứng minh có thể kết hợp xúc tác quang sinh học với các xúc tác enzyme để tạo thành các photoenzyme. Những photoenzyme nhân tạo này có thể xúc tác các phản ứng chọn lọc mà các enzyme tự nhiên khó hoặc không thể xúc tác được”.

Sản xuất sinh học cho phép sản xuất một cách bền vững dược phẩm, thuốc diệt cỏ, các sản phẩm tự nhiên và công nghiệp khác. Các quy trình này chủ yếu dựa vào các loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp tốt các phân tử tự nhiên, sử dụng các protein được gọi là enzyme thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra. Xúc tác enzyme thành công là do sự chọn lọc tự nhiên của các enzyme dựa vào hình dạng và kích thước cụ thể của phân tử mà chúng chuyển hóa. Tuy nhiên, do số loại phản ứng mà các enzyme có thể xúc tác ít hơn so với các xúc tác hóa học nên số lượng và chủng loại hóa chất cũng như nguyên liệu có thể được sản xuất bằng sinh học bị hạn chế so với sản xuất hóa học truyền thống.

Lĩnh vực xúc tác quang sinh học được thành lập gần đây nhằm mục đích hỗ trợ sản xuất sinh học. Mặc dù đầy triển vọng nhưng vẫn còn nhiều công việc thực nghiệm cần thực hiện: hầu hết các phản ứng quang enzyme được biết đều không thể kết hợp chặt chẽ với sự trao đổi chất của tế bào. Những nghiên cứu trước đây của nhóm Zhao đã chứng minh sự thành công của những ứng dụng in vitro nhưng cần phải điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng in vivo để nó trở nên hữu ích cho sản xuất sinh học.

Zhao nói: “Chiến lược của chúng tôi là tích hợp các photoenzyme (enzyme quang hóa) này vào quá trình trao đổi chất của tế bào vì thế chúng ta có thể sử dụng toàn bộ tế bào để chuyển hóa glucose thành các sản phẩm có giá trị cao hơn”.

Dưới sự dẫn dắt của Yujie Yuan, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ và cũng là tác giả chính của bài báo, nhóm nghiên cứu đã tập trung xây dựng một nền tảng sinh tổng hợp cho các loại chuyển đổi hóa học riêng biệt được gọi là hydroalkylations, hydroaminations và hydroarylations. Sử dụng các công cụ sinh học tổng hợp, đầu tiên họ tạo ra vi khuẩn E.coli để tổng hợp tất cả các thành phần cần thiết cho những phản ứng này bao gồm những phân tử được gọi là gốc tự do cần thiết cho các phản ứng được xúc tác bằng ánh sáng. Quan trọng là họ đã phát triển một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh mà không cần bổ sung vật liệu từ bên ngoài.

Yuan nói: “Chúng tôi không cần bổ sung bất cứ tiền chất gốc tự do nào và vi khuẩn E.coli có thể tự sản xuất các photoenzyme, các tiền chất gốc tự do và các chất nền trong toàn bộ tế bào”.

Sau khi tối ưu hóa các nền tảng, Yuan và các cộng sự đã thử nghiệm các tiền chất gốc tự do khác nhau để đánh giá khả năng tương thích của chúng với nền tảng.

“Chúng tôi đã đánh giá sáu phản ứng photoenzyme khác nhau và nhận thấy nền tảng mà chúng tôi tạo ra tương thích với các phản ứng này”, Yuan nói. “Chúng tôi cũng đã thử nghiệm việc mở rộng quy mô của bốn phản ứng photoenzyme khác trong lò phản ứng sinh học (bioreactor)”.

Mặc dù kết quả đầy hứa hẹn, vẫn cần phải có thêm những cải tiến để đưa công nghệ sinh học này ra ngoài phòng thí nghiệm nghiên cứu. Một vấn đề mà nhóm của Zhao vẫn tiếp tục nghiên cứu để tăng lượng sản phẩm mong muốn tổng hợp được khi phản ứng này được thực hiện trên lò phản ứng sinh học (bioreactor).

“Đối với các phản ứng quang enzyme, điều kiện của các phản ứng bị hạn chế bởi chính quá trình. Cần phải có ánh sáng và điều kiện kỵ khí. Việc xác định các điều kiện trong lò phản ứng sinh học là một thách thức lớn”, Yuan cho biết.

Do chưa có lò phản ứng sinh học được thiết kế riêng cho các quá trình sinh tổng hợp nhờ ánh sáng nên việc tối ưu hóa các quá trình này là rất khó khăn nếu không có thiết bị thu thập dữ liệu các mức độ của ánh sáng trong lò phản ứng. Nhóm nghiên cứu đang tìm cách giải quyết vấn đề này, gồm cả việc liên hệ với các công ty để thiết kế lò phản ứng sinh học chuyên cho các mục đích này.

Bước tiếp theo của nghiên cứu này là sử dụng nền tảng quang sinh học để tổng hợp những sản phẩm có giá trị cao như các loại thuốc được FDA phê duyệt hay thuốc diệt cỏ. Nhìn chung, nghiên cứu này là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực xúc tác quang sinh học, đại diện đầu tiên của việc tích hợp các phản ứng quang enzyme vào quá trình trao đổi chất của tế bào. Điều này mở ra một hướng đi mới về số lượng và chủng loại các phân tử mà vi sinh vật có thể sản xuất một cách bền vững.

“Đây là một dự án thử nghiệm. Nó chứng minh là có thể kết hợp các enzyme thiết kế với tính phản ứng tự nhiên vào quá trình trao đổi chất của tế bào và tạo ra các hợp chất mà các phản ứng sinh học, thậm chí là các phản ứng hóa học không tạo ra được, ít nhất là trong quá khứ”, Zhao nói.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Viện Sinh học Gen Carl R. Woese.