cây phi yến (larkspur)

Được biết đến là loài thực vật chứa những hợp chất độc tính mạnh, cây ô đầu (wolfsbane) và cây phi yến (larkspur) có khả gây tổn thương hệ thần kinh và liệt cơ chỉ với liều rất thấp. Tuy nhiên, chính những hợp chất độc này cũng có thể mang lại giá trị trong phát triển thuốc giảm đau, điều trị sốt rét, ung thư cũng như kiểm soát sâu bệnh nông nghiệp.

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học thuộc Đại học Bang Michigan (MSU) và Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc, công bố trên tạp chí Molecular Plant, đã xác định được một phần quá trình hóa sinh mà hai nhóm thực vật này sử dụng để tạo ra các nhóm hợp chất diterpenoid alkaloid có cấu trúc phức tạp và hoạt tính sinh học mạnh.

“Những loài thực vật này đã được sử dụng dưới nhiều hình thức y học khác nhau trên khắp thế giới trong hàng nghìn năm. Việc hiểu rõ cách tạo ra chúng có thể giúp mang đến những cách thức hoàn toàn mới trong các thử nghiệm”, ông Garret Miller, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Giải mã “dây chuyền hóa học” của cây độc

Thực vật có khả năng tạo ra hàng loạt hợp chất tự nhiên phức tạp để thích nghi và sinh tồn. Nhiều chất trong số đó sau này được con người ứng dụng trong đời sống và y học, như caffeine, capsaicin, menthol và vanillin. Không ít loại thuốc hiện nay cũng có nguồn gốc trực tiếp từ thực vật hoặc được phát triển dựa trên hóa học của chúng.

Nhóm nghiên cứu tại MSU tập trung tìm hiểu các chất chuyển hóa chuyên biệt, vốn là những hợp chất thực vật được tạo ra với chức năng đặc thù. Trong những năm gần đây, họ nghiên cứu cây phi yến và tìm cách giải mã quá trình sản sinh diterpenoid alkaloid.

Đây là một bài toán hóa học khó. Cấu trúc của nhóm hợp chất này rất phức tạp khiến các nhà khoa học mất nhiều thập kỷ để tìm hiểu cách thực vật tạo ra chúng. Aconitine, một hợp chất nổi tiếng trong nhóm, đã được phân lập cách đây gần 200 năm nhưng quá trình tổng hợp hoàn chỉnh vẫn là một thách thức.

Bước tiến mới đến từ sự hợp tác giữa nhóm của ông Björn Hamberger tại MSU và phòng thí nghiệm của ông Tomáš Pluskal thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa Séc. Hai nhóm cùng nghiên cứu các diterpenoid alkaloid ở cây phi yến và cây ô đầu, một họ hàng nổi tiếng chứa độc tố mạnh.

Các nhà khoa học sau đó phân tích nhiều loài cây, theo dõi hàng nghìn gene và xác định những gene hoạt động tại đúng mô, đúng thời điểm trong quá trình hình thành hợp chất.

Theo ông Miller, quá trình này giống như một “dây chuyền lắp ráp” gồm nhiều công đoạn. Nếu một bước bị ngắt, những phản ứng tiếp theo cũng không thể diễn ra.

Việc giải mã các bước này đặc biệt quan trọng bởi thực vật thường chỉ tạo ra những hợp chất chuyên biệt với số lượng rất nhỏ và tốc độ chậm. Khi biết chính xác các gene và enzyme tham gia, các nhà khoa học có thể chuyển những “chỉ dẫn” di truyền này sang một sinh vật khác để sản xuất hợp chất với số lượng lớn hơn.

Cây ô đầu (wolfsbane)

Biến cây thuốc lá thành “nhà máy” sản xuất hợp chất

Để kiểm chứng kết quả, nhóm nghiên cứu đưa các gene tiềm năng được xác định từ cây ô đầu và phi yến vào cây thuốc lá biến đổi gene. Loài cây này được sử dụng như một “nhà máy sinh học” sống, giúp kiểm tra liệu các gene được lựa chọn có thể tái tạo con đường hóa học tương ứng hay không.

Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động đúng như dự đoán. 6 enzyme riêng biệt phối hợp với nhau để tạo ra atisinium, một diterpenoid alkaloid có cấu trúc phức tạp.

Các enzyme không chỉ giúp định hình phân tử mà còn thực hiện một bước quan trọng là đưa nguồn nitơ cần thiết vào cấu trúc hợp chất. Đây là một đặc điểm mà nhóm nghiên cứu chưa dự đoán trước khi tiến hành thí nghiệm.

Việc xác định được những bước đầu tiên trong quá trình tạo atisinium cung cấp điểm khởi đầu quan trọng để nghiên cứu sâu hơn về họ diterpenoid alkaloid, cũng như đánh giá các đặc tính sinh học và khả năng ứng dụng của chúng.

Nhóm nghiên cứu cho rằng khi các con đường sinh hóa được giải mã đầy đủ, những gene liên quan có thể được đưa vào các hệ thống sản xuất sinh học như nấm men hoặc các sinh vật biến đổi gene khác. Phương pháp này có thể giúp tạo ra lượng lớn các hợp chất tự nhiên vốn rất khó thu được trực tiếp từ cây.

“Trong một kịch bản lý tưởng, điều này cuối cùng có thể giúp tạo ra các loại thuốc mới lấy cảm hứng từ các sản phẩm tự nhiên này”, bà Lana Mutabdžija, đồng tác giả chính của nghiên cứu, nhận định.

Theo ông Björn Hamberger, mục tiêu lâu dài của nhóm là phát triển những công cụ sinh học xanh và bền vững, qua đó khai thác tiềm năng hóa học tự nhiên của thực vật mà không phụ thuộc hoàn toàn vào việc thu hái hoặc nuôi trồng số lượng lớn các loài cây chứa hợp chất quý.

Phát hiện mới không có nghĩa hai loài cây độc này có thể được sử dụng trực tiếp làm thuốc. Thay vào đó, việc hiểu cách chúng tạo ra các phân tử mạnh là bước nền tảng để các nhà khoa học nghiên cứu, tái tạo và biến đổi những hợp chất đó theo hướng an toàn, có kiểm soát, phục vụ phát triển dược phẩm và các ứng dụng sinh học trong tương lai.