Vi khuẩn được thiết kế để sản sinh kháng sinh san hô

Thomas Brück đã nhìn thấy roi biển Antillogorgia elisabethae lần đầu tiên cách đây 17 năm trong khi đang lặn ở độ sâu 18 mét dưới mặt nước biển trong hành trình nghiên cứu đến Bahamas. Ông vẫn nhớ rất rõ hình ảnh đó: "Các nhánh san hô màu tím, bao phủ polyp (các sinh vật đa bào) của chúng di chuyển nhẹ nhàng theo dòng nước chảy. Một sinh vật sống vô cùng hấp dẫn!" Vì nó cũng chứa nhiều hợp chất hoạt tính sinh học khác nhau, các nhà hóa sinh học từ đó đã nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp sản phẩm tự nhiên của loài san hô mềm này.

Roi biển được bảo vệ, tuy vậy, chúng vẫn gặp hiểm nguy. Việc khai thác và kinh doanh san hô khô là một ngành sinh lợi vì chúng chứa nhiều hoạt chất khác nhau, bao gồm một phân tử chống viêm gọi là pseudopterosin, được sử dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm nhiều năm qua.

Brück nói: "Các rạn san hô cố định, lưu trữ khí thải nhà kính carbon dioxide và là điểm nóng đa dạng sinh học. Nếu chúng ta muốn bảo vệ các rạn san hô của thế giới, chúng ta phải tạo ra các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính sinh học thông qua các quy trình bền vững".

Kháng sinh tự nhiên được nghiên cứu và phát triển từ phòng thử nghiệm công nghệ sinh học

Cùng với nhóm nghiên cứu của mình, chủ tịch Công nghệ Sinh học Tổng hợp Werner Siemens lần đầu tiên đã tạo ra một trong những tác nhân tích cực của roi biển trong phòng thử nghiệm - mà không cần một cá thể của rạn san hô nào. Phân tử "erogorgiaene" là một chất kháng sinh. Các thử nghiệm hoạt tính sinh học ban đầu cho thấy phân tử này thích hợp để chống các mầm bệnh lao đa kháng thuốc.

Trước đây, việc sử dụng tác nhân hoạt tính gần như không thể: San hô mềm chỉ chứa một lượng cực nhỏ erogorgiaene và được bảo vệ — việc sử dụng nó làm nguồn nguyên liệu sẽ không khả thi về mặt tài chính cũng như về mặt sinh thái. Mặc dù có thể sản xuất thông qua tổng hợp hóa học thông thường, nhưng rất phức tạp và liên quan đến chất thải độc hại. Một ki-lô-gam chất hoạt tính sẽ có giá khoảng 21.000 EUR [khoảng 24.900 USD].

Công nghệ sinh học bền vững giúp giảm chi phí sản xuất

Brück nhấn mạnh: "Tuy nhiên, với các phương pháp công nghệ sinh học, có thể thực hiện sản xuất erogorgiaene tổng hợp theo cách thân thiện với môi trường hơn và rẻ hơn nhiều. Theo phương pháp này, chi phí sản xuất mỗi  ki-lô-gam sẽ chỉ khoảng 9.000 EUR [khoảng 10.600 USD]".

Phương pháp mới mà ông đã phát triển cùng với các đồng nghiệp tại Berlin, Canada và Australia chỉ bao gồm hai bước: Thực hiện công việc chính là tối ưu hóa gen các vi khuẩn bằng cách cho ăn glycerin - một chất còn sót lại từ quá trình sản xuất diesel sinh học.

Vi khuẩn sản sinh một phân tử, sau đó có thể được chuyển đổi thành tác nhân hoạt tính mong muốn bằng cách sử dụng enzym có tính chọn lọc cao. Trong quá trình này không gây ra chất thải nào, vì có thể tái sử dụng tất cả các sản phẩm phụ trợ theo cách tuần hoàn. Đã trình duyệt bằng sáng chế về phương pháp sản xuất sáng tạo này.

Phát triển sản phẩm hoạt tính sinh học theo đường tự nhiên

Thomas Brück cho biết: “Nền tảng công nghệ mới để sản xuất các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính sinh học thông qua phương pháp công nghệ sinh học phải tuân thủ toàn bộ 12 tiêu chí của hóa học xanh. "Ngoài ra, cần thực hiện bốn trong số các Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên hợp quốc: (i) Đảm bảo cuộc sống khỏe mạnh và nâng cao phúc lợi cho tất cả mọi người; (ii) Có biện pháp khẩn cấp để chống lại biến đổi khí hậu và các tác động của nó; (iii) Bảo tồn và sử dụng bền vững các đại dương, biển và tài nguyên biển; (iv) Bảo vệ, tái tạo và khuyến khích sử dụng bền vững các hệ sinh thái trên cạn, quản lý tài nguyên rừng bền vững, chống sa mạc hóa, chống xói mòn đất và mất đa dạng sinh học".

Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu sản xuất công nghệ sinh học của một hoạt chất san hô khác: Ứng dụng tự nhiên làm mô hình, sẽ chuyển đổi phân tử erogorgiaene thành chất hoạt tính pseudopteropsin trong phòng thử nghiệm.

Các chuyên gia y tế hy vọng rất nhiều về việc các nghiên cứu lâm sàng đã chỉ ra pseudopteropsin ức chế tình trạng viêm nhờ một cơ chế hoạt động mới. Do đó, nó là một chất điều trị tiềm năng nhằm kiểm soát các phản ứng viêm quá mức, như các trường hợp nhiễm virus, ví dụ virus COVID-19, hoặc các đợt viêm mãn tính liên quan đến tuổi tác.

Đỗ Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ