Công thức bí mật cho limonoids mở ra cơ hội bảo vệ cây trồng thân thiện với ong

Nghiên cứu đổi mới đã phát hiện ra bí mật về cách thực vật tạo ra limonoids, một họ hóa chất hữu cơ có giá trị bao gồm thuốc trừ sâu thân thiện với ong và có tiềm năng làm thuốc chống ung thư.

Nhóm nghiên cứu, một sự hợp tác giữa Trung tâm John Innes và Đại học Stanford, đã sử dụng các phương pháp đột phá để tiết lộ con đường sinh tổng hợp của các phân tử hữu ích này, được tạo ra bởi một số họ thực vật, bao gồm cả cây gụ và cây có múi.

Trong nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu của Trung tâm John Innes đã sử dụng các công cụ bộ gen để lập bản đồ bộ gen của cây xoan (Melia azedarach), một loài gỗ gụ và đã kết hợp điều này với phân tích phân tử để phát hiện ra các enzym trong quá trình sinh tổng hợp.

Tiến sỹ Hannah Hodgson, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà khoa học sau tiến sỹ tại Trung tâm John Innes, giải thích: “Bằng cách tìm ra các enzym cần thiết để tạo ra limonoids, chúng tôi đã mở ra cánh cửa cho một nguồn sản xuất thay thế các hóa chất có giá trị này”.

Cho đến nay, limonoids, một loại triterpene, chỉ có thể được sản xuất bằng cách chiết xuất từ nguyên liệu thực vật.

Tiến sỹ Hodgson giải thích: “Cấu trúc của chúng quá phức tạp để có thể tạo ra một cách hiệu quả bằng phương pháp tổng hợp hóa học. Với kiến thức về con đường sinh tổng hợp, giờ đây có thể sử dụng sinh vật ký sinh để sản xuất các hợp chất này”. Bà cho biết thêm.

Được trang bị bằng con đường sinh tổng hợp hoàn chỉnh, các nhà nghiên cứu hiện có thể sản xuất các chất hóa học trong các cây ký chủ thường được sử dụng như Nicotiana benthamiana. Phương pháp này có thể tạo ra số lượng limonoids lớn hơn theo cách bền vững hơn.

Việc tăng nguồn cung cấp limonoids đã có thể cho phép sử dụng rộng rãi hơn azadirachtin, limonoid chống côn trùng thu được từ cây neem và được sử dụng trong bảo vệ cây trồng thương mại và truyền thống. Azadirachtin là một lựa chọn hiệu quả, phân hủy nhanh, thân thiện với ong để bảo vệ mùa màng nhưng không được sử dụng rộng rãi do nguồn cung hạn chế.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra hai loại limonoid tương đối đơn giản, azadirone từ cây xoan và kihadalactone A từ cam quýt, và tin rằng các phương pháp được sử dụng ở đây hiện có thể được áp dụng làm khuôn mẫu để tạo ra các triterpen phức tạp hơn.

Giáo sư Anne Osbourn, trưởng nhóm tại Trung tâm John Innes và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Thực vật tạo ra nhiều loại chất chuyển hóa chuyên biệt có thể hữu ích cho con người. Chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu cách thực vật tạo ra các hóa chất phức tạp như limonoids. Trước khi có dự án này, quá trình sinh tổng hợp của chúng và các enzym liên quan hoàn toàn chưa được biết đến, giờ đây cánh cửa mở ra cho các nghiên cứu trong tương lai dựa trên kiến thức này, điều này có thể mang lại lợi ích cho con người theo nhiều cách”.

Một ví dụ khác về limonoid giá trị cao mà nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tạo ra là loại thuốc chống ung thư nimbolide, công trình này đã có thể cho phép tiếp cận dễ dàng hơn với các limonoid như nimbolide để có thể nghiên cứu thêm. Cùng với việc sản xuất các sản phẩm đã biết như nimbolide, nhóm nghiên cứu cho biết cánh cửa có thể mở ra để tìm hiểu các hoạt động mới của limonoids chưa được nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu chi tiết hơn

Nhóm nghiên cứu tại John Innes đã sử dụng các công cụ bộ gen để lắp ráp bộ gen cấp độ nhiễm sắc thể ở cây xoan (Melia azedarach), trong đó họ đã tìm thấy các gen mã hóa 10 enzyme bổ sung cần thiết để tạo ra tiền chất azadirachtin, azadirone. Đồng thời, nhóm làm việc tại Stanford đã có thể tìm thấy 12 enzyme bổ sung cần thiết để tạo ra khidalactone A.

Việc biểu hiện các enzym này trong N. benthamiana đã cho phép mô tả đặc tính của chúng, với sự trợ giúp của cả sắc ký lỏng – khối phổ (LC-MS) và Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), những công nghệ cho phép phân tích mẫu ở cấp độ phân tử.

Đỗ Thị Nhạn theo Trung tâm John Innes.