Khám phá sức mạnh của thực vật trong việc tạo ra thuốc từ ánh sáng mặt trời

Phương pháp thâm nhập nông nghiệp của Nicotiana benthamiana (một loài họ hàng hoang dã của cây thuốc lá được trồng) tạo thành hệ thống biểu hiện tạm thời dựa trên thực vật năng suất cao được dẫn dắt bởi Trung tâm John Innes.

Thực vật là những nhà hóa học tài ba, sử dụng năng lượng mặt trời và carbon dioxide từ không khí để tạo ra một loạt các sản phẩm tự nhiên phức tạp tuyệt đẹp theo cách không thể sao chép tổng hợp trong phòng thí nghiệm.

Tiềm năng thực sự của siêu cường này hiện mới bắt đầu được phát huy đầy đủ nhờ những tiến bộ trong thu thập dữ liệu bộ gen, AI và công nghệ sinh học.

Các nhà nghiên cứu trong nhóm của giáo sư Anne Osbourn FRS tại Trung tâm John Innes đã sử dụng những phương pháp này trong một nghiên cứu mới hé lộ tương lai của việc khám phá thuốc và sản phẩm tự nhiên nhanh chóng.

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Chemical Biology, họ đã tìm hiểu về triterpene có chức năng quan trọng trong thực vật, chống lại sâu bệnh, định hình hệ vi sinh vật rễ và ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng.

Triterpenes tạo nên nhóm sản phẩm thực vật tự nhiên lớn nhất và có cấu trúc phức tạp nhất và là nguồn phân tử hoạt tính sinh học dồi dào có giá trị đáng kể về mặt y tế và thương mại.

Các ví dụ bao gồm tá dược vắc-xin QS-21 được sản xuất từ ​​cây xà phòng Chile Quillaja saponaria, hợp chất chống viêm escin từ hạt dẻ ngựa và thuốc trừ sâu thân thiện với ong được sản xuất từ ​​cây Neem.

Tất cả các triterpen đều bắt đầu từ cùng một phân tử khởi đầu hóa học và đa dạng hóa nhờ tác động của các enzyme gọi là oxidosqualene cyclase (OSC) có tác dụng định hình và gấp phân tử ban đầu trong một quá trình giống như nghệ thuật gấp giấy origami.

Trong nghiên cứu này, nhóm Osbourn đã theo dõi các enzyme này, trong đó chỉ có một phần nhỏ được nghiên cứu về hoạt động của chúng.

Họ đã khai thác một cách có hệ thống trình tự bộ gen của 599 loài thực vật đại diện cho gần 400 loài - có sẵn dưới dạng hồ sơ điện tử - để tìm các gen mã hóa OSC.

Trong số 1400 trình tự gen OSC ban đầu được theo dõi và xác định, họ đã chọn ra 20 trình tự để xác nhận chức năng.

Hai mươi gen này được tổng hợp bằng các kỹ thuật sinh học phân tử và sau đó được chuyển vào một loài họ hàng hoang dã của thuốc lá được trồng, tạo thành một hệ thống biểu hiện tạm thời có năng suất cao dựa trên thực vật do Trung tâm John Innes tiên phong và hiện đang được các đối tác tiếp tục phát triển thương mại.

Khi thử nghiệm các sản phẩm của các gen và enzyme này, nhóm nghiên cứu đã:

Đã phát hiện ra các chất hóa học hoàn toàn mới có thể được sử dụng làm chất dẫn thuốc.

Cấu trúc triterpene “mồ côi” được tái hợp (những cấu trúc được biết là tồn tại nhưng không biết ví dụ về OSC tạo ra chúng) với OSC gốc của chúng.

Đã tìm thấy các thành phần hóa học cung cấp manh mối thú vị về quá trình tiến hóa của OSC.

Tác giả chính của nghiên cứu, tiến sỹ Michael Stephenson, trưởng nhóm mới tại Đại học East Anglia và là nhà khoa học thỉnh giảng tại Trung tâm John Innes, cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên trước số lượng phát hiện khác nhau được tạo ra từ một mẫu nhỏ các gen được khai thác của chúng tôi. Hầu như mọi gen được thử nghiệm đều cho ra kết quả thú vị, nhiều gen trong số đó mở ra những hướng nghiên cứu tiềm năng hơn nữa.

“Điều thú vị nhất là dự án này đã khám phá ra loại hóa học mới mà không cần phải tìm nguồn và xử lý vật liệu thực vật từ các loài sản xuất ra nó trong tự nhiên”.

Nghiên cứu này đưa ra một ví dụ rõ ràng về việc sử dụng các phương pháp tính toán để khám phá 'vật chất tối' của bộ gen thực vật, đẩy nhanh quá trình khám phá gen trước khi sử dụng sinh học phân tử và hệ thống biểu hiện tạm thời để tạo ra hóa chất hữu ích ở quy mô lớn cho y học và một loạt các ứng dụng thương mại.

Tác giả liên hệ, giáo sư Anne Osbourn FRS, cho biết: “Hiện tại chúng tôi có trình tự bộ gen của khoảng 1.800 loài thực vật, nhưng con số này đang tăng theo cấp số nhân. Có khoảng 450.000 loài thực vật đã được biết đến, tất cả đều có khả năng tạo ra các phản ứng hóa học hữu ích và thú vị; đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm về những gì có thể xảy ra”.

Một trong những bước tiếp theo của nghiên cứu này là hợp tác với các đối tác công nghiệp để khám phá các hóa chất được phát hiện có tiềm năng trở thành hợp chất dẫn đầu hoặc nền tảng cho việc phát hiện thuốc. Nhóm Osbourn cũng đang sử dụng quy trình này để tìm kiếm thêm các OSC nhằm mở rộng phạm vi nghiên cứu enzyme.

Công trình này cũng cung cấp khả năng tiếp cận thực tế với các cấu trúc cực kỳ phức tạp mà hóa học tổng hợp không thể sản xuất được.

Tiến sỹ Stephenson kết luận: “Chúng tôi đang khai thác sức mạnh của thực vật để tạo ra thuốc từ ánh sáng mặt trời và không khí loãng”.

Việc khai thác quy mô lớn các bộ gen thực vật đa dạng sẽ giải phóng sự đa dạng tiềm ẩn của chức năng cyclase oxidosqualene được công bố trên tạp chí Nature Chemical Biology.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Trung tâm John Innes.