Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất các hợp chất thứ cấp (07/09/2018)
Hợp chất thứ cấp là các chất không có chức năng trực tiếp trong các quá trình đồng hóa, hô hấp, vận chuyển, tăng cường và phát triển thực vật. Chức năng chủ yếu của các hợp chất thứ cấp là bảo vệ thực vật chống lại các tác nhân gây bệnh và động vật ăn cỏ. Nhiều chất thứ cấp có hoạt tính sinh học mạnh được dùng làm chất diệt côn trùng, nấm, dược chất. Hợp chất thứ cấp được phân làm ba nhóm chính ở thực vật: Các terpen, các hợp chất phenolic và các hợp chất chứa Nitrogen.
Thực vật là nguồn cung cấp các hợp chất dùng làm dược liệu hoặc phụ gia thực phẩm có giá trị. Những sản phẩm này được biết như là các chất trao đổi thứ cấp, thường được hình thành với một lượng rất nhỏ trong cây và chức năng trao đổi chất chưa được biết đến đầy đủ. Chúng dường như là sản phẩm của các phản ứng hóa học của thực vật với môi trường hoặc là sự bảo vệ hóa học chống lại vi sinh vật và động vật. Thực vật là nguồn quan trọng để sản xuất thuốc hàng ngàn năm qua. Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới 80% dân số thế giới dựa vào y học cổ truyền để chăm sóc sức khỏe trong đó chủ yếu thuốc từ cây cỏ. Ngoài ra, thực vật là nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiều loại thuốc hiện đại như sản xuất analgesic, aspirin, có nguồn gốc từ loài Salix và Spiraea; thuốc chống ung thư như paclitaxel và vinblastine.
Trong 30 năm qua có hơn 25% các loại thuốc được đăng ký mới dựa trên phân tử có nguồn gốc thực vật (hợp chất thứ cấp) và khoảng 50% thuốc bán chạy hàng đầu có nguồn gốc từ các hợp chất thứ cấp đã được biết trước (Gómez-Galera và cộng sự, 2007). Thực vật sẽ tiếp tục cung cấp các sản phẩm mới cũng như các hợp chất để sản xuất các loại thuốc mới trong những thế kỷ tiếp theo, bởi vì các hợp chất hóa học của đa số các loài thực vật vẫn chưa được xác định. Công nghệ hóa học tổng hợp ngày một phát triển vẫn phụ thuộc vào nguồn sinh học đối với một số chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm dược phẩm do các đặc tính cấu trúc phức tạp của chúng rất khó tổng hợp (Rao and Ravishankar, 2002).
Ở nước ta, người dân có truyền thống sử dụng dược liệu, có một nền y học dân tộc, dân gian phong phú, đồng thời chịu ảnh hưởng của nền y học cổ truyền Trung Quốc nên sử dụng dược liệu thiên nhiên rất lớn. Hằng năm cần khoảng 60.000 tấn dược liệu cho ngành dược, nhưng trong nước có khả đáp ứng 20-25%.Trong những năm qua thị trường thảo dược tăng mạnh. Nạn khai thác quá mức làm nguồn dược liệu ngoài tự nhiên ngày càng cạn kiệt. Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định 1976, quy hoạch tổng thể phát triển dược liệu đến năm 2020 và định hướng đến 2030, Việt nam có 8 vùng trồng nguyên liệu trên cả nước. Dự kiến đến năm 2020 khả năng đáp ứng nhu cầu dược liệu trong nước 60% và năm 2030 đáp ứng 80%.
Chiết xuất từ cây trồng
Các hợp chất thứ cấp quan trọng trong ngành dược hiện nay thu được bằng cách chiết xuất từ cây ngoài tự nhiên. Tuy nhiên, phương pháp này nó có thể dẫn đến sự tuyệt chủng của một số loài thực vật nguy cấp như Taxus brevifolia hoặc Podophyllum hexandrum, và gây ảnh hưởng sinh thái nghiêm trọng. Trồng cánh đồng mẫu lớn để cung cấp nguồn vật liệu có giá trị gặp nhiều khó khăn là lợi nhuận thấp do cây tăng trưởng chậm, yếu tố khí hậu không thích hợp canh tác ở nhiều nơi khác nhau, sâu hại, dịch bệnh cây trồng, tình trạng thiếu lao động trong canh tác và thu hái...Trong những năm gần đây xu hướng nhân sinh khối trong phòng thí nghiệm với quy mô lớn là một giải pháp thay thế dần các phương pháp truyền thống.
Nuôi cấy tế bào
Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực vật tiêu biểu cho tiềm năng cải thiện các hợp chất có giá trị trong y dược, gia vị, hương và màu nhuộm mà không thể sản xuất chúng từ các tế bào vi sinh vật hoặc tổng hợp bằng con đường hóa học. Những năm gần đây, sự phát triển của các hợp chất thứ cấp quan trọng trong thương mại là kết quả được mong đợi nhất trong lĩnh vực nghiên cứu này.
Sản xuất các hoạt chất thứ cấp từ nuôi cấp tế bào đã được thực hiện trên nhiều loài cây dược liệu khác nhau: Sản xuất solasodine từ callus của Solanum eleagnifolium; cephaelin và emetine từ callus Cephaelis ipecacua; quinoline alkaloids từ nuôi cấy dịch treo tế bào Cinchona ledgeriana...Ở nhật đã sản xuất và thương mại hóa shikonin, berberine và saponins từ nuôi cấy tế bào. Tuy nhiên, phương pháp nuôi cấy tế bào còn tồn tại là các dòng tế bào không ổn định, tích lũy hoạt chất thấp, tăng trưởng chậm và gặp khó khăn khi sản xuất quy mô lớn. Do vậy hướng nuôi cấy rễ tóc để sản xuất các hoạt chất thứ cấp cho hệ số nhân sinh khối lớn, ổn định và chứa hàm lượng hoạt chất cao, một số trường hợp cao hơn cây ngoài tự nhiên.
Nuôi cấy rễ tóc
Vi khuẩn A. rhizogenes (chứa plasmide pRi – root inducing) là tác nhân gây bệnh tạo rễ tóc (hairy root) cho thực vật. Nó cảm ứng kích thích tạo rễ khi xâm nhiễm vào tế bào thực vật tại điểm bị thương. Những rễ tóc có thể sinh trưởng tốt trong điều kiện nuôi cấy in–vitro mà không cần bổ sung chất điều hòa sinh trưởng. Rễ sản xuất hoạt chất thứ cấp ở mức độ tương đồng hoặc vượt xa so với khả năng của rễ cây mẹ hay rễ nuôi cấy rễ bất định in–vitro không chuyển gen. Theo Kuzovkina and Schneider (2006), đã có 185 loại cây trồng thuộc 41 họ đã được nghiên cứu nuôi cấy rễ tóc.
Ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất hợp chất thứ cấp - hoạt chất Saponin từ nhân sâm
Theo Yoshikawa và Furuya (1987) đã nuôi cấy rễ tóc sâm Triều Tiên thì rễ tóc tổng hợp saponin, ginsenoside tương tự như rễ ngoài tự nhiên và cao gấp 2,4 lần, trong trường hợp so với rễ bình thường không chuyển gen cao gấp 2 lần dựa trên khối lượng khô. Bên cạnh đó, Yu và cộng sự (2000) đã nghiên cứu tăng khả năng sản xuất ginsenoside bởi Jamonic acid và một vài tiền chất trong rễ tóc. Kết quả Jasmonic acid nồng độ 1.0 ± 5.0 mg/ l cải thiện mạnh ginsenoside tổng số.
Theo nghiên cứu của Mallol và cộng sự (2001) chỉ ra rằng ảnh hưởng của gen rol gây ra các kiểu hình thái của rễ tóc nhân sâm khác nhau và hàm lượng các hoạt chất ginsenoside biến đổi tùy theo kiểu hình. Kết quả nghiên cứu của Sivakumar và cộng sự (2005) đã nuôi cấy rễ tóc sâm Triều tiên trong hệ thống bioreactor đã báo cáo thành phần khoáng chất đóng vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng sinh khối, trong khi đó các elicitor làm giảm sinh khối nhưng làm tăng hàm lượng ginsenoside. Jung và cộng sự (2006) đã tạo được 193 dòng rễ sâm P. gisneng. Các dòng rễ này được chia thành 5 nhóm tùy thuộc vào kiểu hình của chúng.
Trong kết quả nghiên cứu, Zhou và cộng sự (2007) đã báo cáo rằng oligosaccharides, a heptasaccharide (HS) và an octasaccharide (OS), từ Paris polyphylla var. yunnanensis kích thích sự sinh trưởng của rễ tóc sâm Triều Tiên và tích lũy saponin. Trong báo cáo của Mathur và cộng sự (2010) đã nghiên cứu rễ tóc sâm Mỹ P. Quinquefolium: rễ tóc có tốc độ sinh trưởng mạnh tăng 4 - 10 lần trong khoảng thời gian nuôi cấy từ 3–8 tuần và đã cải thiện được khả năng tổng hợp ginsenoside (saponin). Rễ tóc có thể sản xuất hoạt chất saponin tốt nhất từ tuần thứ 6 đến tuần thứ 8 sau khi nuôi cấy.
Nguyễn Nhi (Ứng dụng CNSH trong sản xuất hợp chất thứ cấp, CESTI, 2017)