Hợp chất mới làm ngưng sự phân chia tế bào ở thực vật

 

Với sự hợp tác giữa các nhà sinh học thực động vật, và các nhà hóa học hữu cơ tại ITbM, Đại học Nagoya, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển một hợp chất mới triarylmethane có thể nhanh chóng ức chế sự phân chia tế bào ở thực vật. Hợp chất này được phát hiện là ức chế có chọn lọc sự phân chia tế bào trong tế bào thực vật. Có tính chất ức chế tế bào thuận nghịch, triarylmethane này có thể là một ứng cử viên tiềm năng cho việc phát triển các hóa chất nông nghiệp mới có thể kiểm soát tốc độ tăng trưởng của thực vật.

Tiến sĩ Minako Ueda, Tiến sĩ Masakazu Nambo, từ Viện Chuyển hoá Sinh học Phân tử (ITbM) của Đại học Nagoya và các đồng nghiệp báo cáo trên tạp chí Sinh lý học Thực vật và Tế bào (Plant and Cell Physiology) về sự phát triển một loạt các hợp chất triarylmethane, đã được thử nghiệm trên tế bào thực vật để tìm hiểu tác dụng của chúng đến sự phân chia tế bào. Thông qua chụp ảnh tế bào sống, họ đã có thể xác định một hợp chất triarylmethane mới có thể nhanh chóng ức chế sự phân chia tế bào trong các tế bào thực vật.

Họ cũng phát hiện thấy rằng hợp chất mới này không ảnh hưởng đến sự phân chia tế bào ở tế bào động vật, và khởi động lại sự phân chia tế bào trong tế bào thực vật sau khi loại bỏ hợp chất này. Có khả năng kiểm soát sự phân chia tế bào trong tế bào thực vật có thể có hiệu quả trong việc kiểm soát sự tăng trưởng của cây trồng. Như vậy, sự chọn lọc và sự đảo ngược của hợp chất triarylmethane mới này đến sự phân chia tế bào trong tế bào thực vật khiến cho nó trở thành một ứng cử viên tốt cho một hoá chất nông nghiệp.

Sự tăng trưởng thực vật xảy ra bằng cách gia tăng số lượng tế bào từ sự phân chia tế bào. Do đó, người ta cho rằng, nếu có một cách để kiểm soát sự phân chia tế bào ở thực vật, thì điều này sẽ giúp kiểm soát sự tăng trưởng thực vật ở nhiều loài. Mặc dù đã có nhiều hợp chất khác trước đây đã được phát hiện là có thể kiểm soát sự phân chia tế bào trong thực vật nhưng chúng chủ yếu dẫn đến thiệt hại cho hình dạng cây hoặc sự ức chế không thể đảo ngược dù sau khi đã loại bỏ chúng.

"Chúng tôi quyết định tìm kiếm các hợp chất mới có thể ức chế sự phân chia tế bào trong thực vật mà không gây ra thiệt hại cho chúng", Minako Ueda, một nhà sinh học thực vật, cho biết. "Ở trong phòng thí nghiệm Mix (phòng thí nghiệm đặc biệt mà các nhà nghiên cứu từ các ngành khác nhau tập hợp cùng nhau) tại ITbM, tôi đã có thể nói chuyện với nhà hóa học hữu cơ, Masakazu Nambo, người đã đề nghị sử dụng các hợp chất triarylmethane để ức chế sự phân chia tế bào trong các tế bào thực vật", bà cho biết.

"Trước đây, triarylmethane chưa từng được sử dụng trên thực vật nhưng chúng tôi đã nhìn thấy tác dụng của chúng đến tế bào của cây thuốc lá khi sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tế bào sống. Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này khoảng 3 năm trước đây, nhưng chúng tôi đã may mắn xác định được một hợp chất triarylmethane mà có thể nhanh chóng ức chế sự phân chia tế bào ở cây”, Masakazu Nambo, nhà hóa học hữu cơ, cho biết.

Triarylmethane là một nhóm các hợp chất dẫn xuất từ ​​metan (một phân tử chứa cacbon với 4 nguyên tử hydro gắn liền với nó) và trung tâm là nguyên tử cacbon với 3 nhóm aryl (vòng thơm) và một nguyên tử hydro. Cấu trúc này có thể được tìm thấy trong các vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như thuốc nhuộm và các đầu dò huỳnh quang, cũng như trong các sản phẩm tự nhiên. Một số hợp chất có chứa phần đặc biệt triarylmethane được biết là thể hiện đặc tính chống ung thư, và nhiều hợp chất mới đã được tổng hợp để tìm hiểu hoạt động sinh học của chúng.

"Chúng tôi sử dụng một tế bào ở cây thuốc lá gắn với một đầu dò huỳnh quang để nhìn thấy quá trình phân chia tế bào", Ueda cho biết. "Chúng tôi bổ sung các hợp chất triarylmethane vào các tế bào nuôi dưỡng và tìm hiểu sự phân chia tế bào có xảy ra hay không thông qua kỹ thuật chụp ảnh tế bào sống theo thời gian thực".

"Sau khi sàng lọc khoảng 200 hợp chất, chúng tôi phát hiện thấy rằng (3 furyl) diphenylmethane (chem7) - một triarylmethane có chứa 2 nhóm phenyl và một nhóm furyl (một vòng thơm có chứa 4 nguyên tử cacbon và 1 nguyên tử oxy trong vòng), có hoạt tính ức chế mạnh sự phân chia tế bào thực vật", Ueda cho biết.

Khi phần đặc biệt furyl được thay thế bằng các nhóm thơm khác, hoặc khi một trong các vòng benzen được gỡ bỏ, thì hoạt động ức chế sự phân chia tế bào không được quan sát thấy, một việc cho thấy một cấu trúc triarylmethane chứa cả vòng benzen lẫn vòng furan là cần thiết để có hoạt tính sinh học của chúng.

Nhóm nghiên cứu cũng đã kiểm tra xem chem7 có thể ức chế sự phân chia tế bào trong các thực vật khác hay không, hoặc trong các mô đang phát triển khác hay không. Bằng cách áp dụng chem7 vào hạt giống và rễ của cây Arabidopsis thaliana, nhóm phát hiện thấy có sự ức chế nhanh chóng sự phân chia tế bào trong cả hai mô.

"Chúng tôi nhận thấy chem7 hầu như không có tác dụng đến hình dạng của các tế bào và mô, do đó, cho thấy chem7 làm ngưng lại sự phân chia tế bào trong các tế bào thực vật, nhưng không gây ra bất kỳ thiệt hại nghiêm trọng nào đến hình dạng", Ueda mô tả. "Với sự giúp đỡ của các nhà sinh học động vật, chúng tôi còn phát hiện thấy chem7 không có tác dụng đến men đang nảy chồi và các tế bào của con người, một việc cho thấy chem7 không ức chế sự phân chia tế bào của tế bào động vật".

Sự phân chia tế bào bao gồm nhiều giai đoạn, trong đó giai đoạn M là giai đoạn các tế bào thực sự phân chia (M  có nghĩa là nguyên phân), giai đoạn S là giai đoạn DNA được sao chép và chuẩn bị cho sự phân chia (S có nghĩa là tổng hợp) và giai đoạn G1/G2 ở giữa (G có nghĩa là lỗ hổng). Những giai đoạn này (chu kỳ tế bào) được lặp đi lặp lại dẫn đến sự phân chia tế bào. Để tìm ra những giai đoạn mà chem7 thực sự có tác dụng, Ueda và nhóm của bà đã sử dụng hai loại protein huỳnh quang phát sáng khác nhau để nhìn thấy quá trình của các chu kỳ tế bào ở rễ của cây Arabidopsis thaliana. (Màu xanh ám chỉ giai đoạn M và màu đỏ ám chỉ giai đoạn S và giai đoạn G2.)

"Do rễ của cây Arabidopsis thaliana chứa tế bào ở các giai đoạn khác nhau, nên có thể quan sát các giai đoạn khác nhau, thể hiện ở màu xanh và màu đỏ", Ueda giải thích. "Sau khi bổ sung chem7 vào rễ, chúng tôi thấy rằng cả hai màu này đều tồn tại nhưng khu vực có chứa các tế bào phát sáng (nghĩa là mô có hoạt động phân chia tế bào cao) trở nên nhỏ hơn".

Điều này chỉ ra rằng chem7 không nhằm vào một giai đoạn tế bào thực vật cụ thể, mà biểu hiện hoạt động ức chế tế bào ở bất kỳ giai đoạn nào. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng chem7 không gây thiệt hại nghiêm trọng đến hình dạng của tế bào và mô bằng cách có thể làm ngưng lại nhanh chóng hoạt động tế bào ở bất kỳ giai đoạn tế bào nào.

Ngoài ra, khi rửa sạch chem7 ra khỏi rễ và tế bào nuôi cấy được xử lý bằng chem7, thì sự phân chia tế bào được quan sát lại và kết quả cho thấy tác động của chem7 không gây chết.

"Thông qua sự hợp tác với các nhà hóa học và sinh học, chúng tôi đã may mắn phát hiện ra một hợp chất mới có thể ức chế có chọn lọc sự phân chia tế bào trong tế bào thực vật bất kỳ đó là giai đoạn tế bào nào", Ueda và Nambo cho biết. "Chem7 nhanh chóng làm ngưng sự phân chia tế bào và sự tăng trưởng thực vật mà không gây tổn thương mạnh mẽ đến hình dạng hoặc chức năng của các tế bào".

"Chúng tôi đang tiến hành nghiên cứu thêm để tạo ra các hợp chất mới có thể kiểm soát sự tăng trưởng thực vật một cách nhanh chóng và có thể đảo ngược, mà không gây hại cho con người và vi khuẩn trong môi trường xung quanh", họ cho biết.

Thanh Vân - Dostdongnai, theo Eurekalert.