Tiến bộ enzyme và di truyền tối ưu hóa quá trình tổng hợp các sản phẩm tự nhiên tiềm năng

Một nhóm nghiên cứu do trưởng bộ phận HIPS Tobias Gulder dẫn đầu đã phát triển các chiến lược tổng hợp mới cho lớp các macrolactam tetramat đa vòng (PoTeMs), một nhóm các sản phẩm tự nhiên có phổ hoạt tính sinh học rộng. Bên cạnh tổng hợp hóa học, các phương pháp xúc tác enzyme và kỹ thuật di truyền cũng đã được sử dụng.

Các chiến lược được thiết lập theo cách này không chỉ cho phép sản xuất PoTeMs với số lượng lớn mà còn có thể thay đổi cấu trúc carbon và do đó là các đặc tính dược lý của chúng. Các nhà nghiên cứu đã công bố kết quả của họ trên các tạp chí Biotechnology and Bioengineering, Microbial Cell Factories và Angewandte Chemie International Edition.

Trong quá trình tiến hóa, vi khuẩn đã học được cách thích nghi với các điều kiện sống bất lợi gần như không có loài sinh vật nào khác làm được. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các sản phẩm tự nhiên mà chúng tạo ra bao phủ một phổ hoạt tính sinh học rộng.

Một nhóm các sản phẩm tự nhiên có phổ hoạt tính đặc biệt rộng là các PoTeMs (macrolactam tetramat đa vòng) tương đối ít được nghiên cứu. Đại diện đầu tiên được biết đến của nhóm này là ikarugamycin, được phát hiện vào năm 1972 và có hiệu quả chống lại cả vi khuẩn và động vật nguyên sinh.

Việc phát triển PoTeMs thành các loại thuốc tiềm năng cho đến nay vẫn gặp trở ngại, vì chúng chỉ có thể được sản xuất thông qua một quy trình tốn nhiều công sức và chi phí, đồng thời có rất ít cơ hội để sửa đổi cấu trúc.

Trong ba bài báo nghiên cứu, một nhóm nghiên cứu do Tobias Gulder, trưởng bộ phận Công nghệ sinh học Sản phẩm Tự nhiên của HIPS, hiện đã giải quyết thành công những vấn đề này. Trong nghiên cứu đầu tiên, được công bố trên tạp chí Biotechnology and Bioengineering, nhóm đã thiết lập một quy trình công nghệ sinh học hiệu quả để sản xuất số lượng lớn PoTeMs như ikarugamycin.

Trong một nghiên cứu tiếp theo được công bố trên tạp chí Microbial Cell Factories, họ đã phát triển một “hệ thống cắm và chạy” di truyền cho phép đưa oxy vào các vị trí được chọn của cấu trúc PoTeM, từ đó sửa đổi đặc tính của chúng một cách cụ thể.

Để khai thác hơn nữa tiềm năng dược lý của PoTeMs, các nhà nghiên cứu đã theo đuổi các phương pháp hóa học-enzym và sinh học phân tử để lần đầu tiên sửa đổi thành công cấu trúc lõi của chúng. Nhóm nghiên cứu hiện đã công bố kết quả của nghiên cứu thứ ba này trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition.

Sebastian Schuler, người tham gia vào cả ba nghiên cứu, cho biết: “Quá trình tổng hợp ikarugamycin của vi khuẩn có thể được chia thành hai bước chính. Đầu tiên, phân tử tiền chất lysobacterene A được tạo ra bởi phức hợp enzyme IkaA, sử dụng acetate và axit amin ornithine làm cơ chất. Sau đó, lysobacterene A được chuyển hóa bởi các cyclase PoTeM IkaB và IkaC (gọi tắt là IkaBC) thành một phân tử dạng vòng-ikarugamycin“.

Khám phá những tiến bộ mới nhất trong khoa học, công nghệ và vũ trụ với hơn 100.000 người đăng ký tin tưởng Phys.org để có những hiểu biết hàng ngày.

Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về các đột phá, đổi mới và nghiên cứu quan trọng-hàng ngày hoặc hàng tuần.

“Khi chúng tôi phân lập IkaBC trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu chúng kỹ hơn, chúng tôi nhận thấy rằng các cyclase này không chỉ có thể chuyển hóa lysobacterene A mà còn cả các phân tử tương tự mà chúng tôi đã tổng hợp hóa học trước đó.”

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chiến lược này để sản xuất một sản phẩm tự nhiên PoTeM chưa từng được biết đến trước đây, được gọi là homo-ikarugamycin. Để làm điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một tiền chất tổng hợp có khung phân tử dài hơn lysobacterene A một đơn vị carbon. Do quá trình sản xuất tiền chất tốn nhiều công sức, nhóm nghiên cứu đã tiến thêm một bước nữa. Giáo sư Gulder cho biết: “Thay vì thực hiện hóa học nửa đầu quá trình tổng hợp homo-ikarugamycin, chúng tôi tự hỏi liệu có thể sửa đổi IkaA để nó cũng sử dụng các cơ chất dài hơn để sản xuất lysobacterene A hay không.”

“Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi đã biến đổi gen phần của IkaA chịu trách nhiệm chọn khối xây dựng axit amin để nó chấp nhận axit amin lysine, dài hơn ornithine một đơn vị carbon. Điều này cho phép chúng tôi ‘đánh lừa’ IkaA tự sản xuất tiền chất đã được tổng hợp trước đó, sau đó nó được chuyển hóa thành homo-ikarugamycin bởi IkaBC. Điều tuyệt vời nhất là tất cả các bước này diễn ra trong vi khuẩn sống.” Việc sản xuất homo-ikarugamycin bởi vi khuẩn không chỉ dễ dàng hơn đáng kể so với tổng hợp hóa học mà còn mang lại lợi thế về chi phí hiệu quả hơn và đòi hỏi ít tài nguyên hơn.

Trong tương lai, các công nghệ đã được thiết lập sẽ được sử dụng làm cơ sở để sản xuất thêm các PoTeM mới. Để đạt được điều này, phiên bản sửa đổi của IkaA có thể, chẳng hạn, được kết hợp với các cyclase khác ngoài IkaBC. Về lâu dài, Giáo sư Gulder và nhóm của ông muốn khai thác tiềm năng dược lý của PoTeMs và phát triển các phân tử đầy hứa hẹn thành các hoạt chất để điều trị các bệnh truyền nhiễm.

Cục TT,TK