Các polysaccharide sulfat hóa từ rong biển và động vật không xương sống từ lâu đã được biết đến với nhiều hoạt tính sinh học quý, song việc khai thác hiệu quả các hợp chất này vẫn là bài toán chưa có lời giải trọn vẹn. Những nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học Viện Hải dương học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Viện Hàn lâm) về enzyme từ vi sinh vật biển bản địa đang từng bước mở ra hướng tiếp cận mới, dựa trên enzyme sinh học có tính chọn lọc cao, thân thiện và giàu tiềm năng cho công nghệ sinh học biển.

Việt Nam sở hữu hệ sinh thái biển phong phú, trong đó các loài rong biển và động vật không xương sống như hải sâm, cầu gai không chỉ có giá trị sinh thái mà còn là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu các polysaccharide sulfat hóa. Các hợp chất này, điển hình như fucoidan, ulvan hay sulfated chondroitin, đã được chứng minh có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng trong điều hòa miễn dịch, chống viêm và ứng dụng y sinh. Trong bối cảnh đó, enzyme sinh học không chỉ đóng vai trò là công cụ hỗ trợ giải mã cấu trúc phức tạp của polysaccharide sulfat hóa mà còn là phương tiện hiệu quả để điều chế các oligosaccharide có hoạt tính sinh học cao và tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, việc khai thác và làm chủ các enzyme chuyên biệt từ nguồn sinh vật biển vẫn còn nhiều thách thức.

Trong những năm gần đây, tại Việt Nam đã xuất hiện một số công trình nghiên cứu tập trung vào chiết tách và đánh giá hoạt tính sinh học của polysaccharide biển bằng các phương pháp hóa học, enzyme hoặc kỹ thuật siêu tới hạn. Trong đó, Phòng Hóa phân tích và Phát triển công nghệ, Viện Hải dương học là một trong những đơn vị trực tiếp triển khai các nghiên cứu chiết xuất polysaccharide biển và đánh giá đặc trưng cấu trúc và hoạt tính sinh học của các hợp chất này, đồng thời từng bước mở rộng sang hướng sàng lọc các chủng vi sinh vật biển có khả năng sinh enzyme chuyển hóa polysaccharide. Mặc dù đã đạt được những kết quả bước đầu, quy mô và chiều sâu nghiên cứu trong lĩnh vực enzyme chuyên biệt có độ bền cao và khả năng ứng dụng thực tiễn vẫn chưa tương xứng với tiềm năng rất lớn của nguồn tài nguyên biển Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn đó, TS. Cao Thị Thúy Hằng và nhóm nghiên cứu Viện Hải dương học đã triển khai đề tài cấp Viện Hàn lâm về: “Nghiên cứu khả năng sinh enzyme chuyển hóa sulfated polysaccharide nguồn gốc sinh vật biển từ Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được ở Việt Nam” (mã số: KHCBBI.01/21-23). Nghiên cứu nhằm mục tiêu khai thác hiệu quả nguồn vi sinh vật biển bản địa, hướng tới phát triển các enzyme có khả năng phân giải và chuyển hóa polysaccharide sulfat hóa thành các oligosaccharide có hoạt tính sinh học cao.

PGS. TS. Trần Thị Thanh Vân và TS. Cao Thị Thúy Hằng (bên phải) trao đổi về kết quả nghiên cứu.

Từ tài nguyên biển đến enzyme sinh học có giá trị

Một lợi thế quan trọng của nghiên cứu này là việc khai thác Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được (NCMM) tại Viện Hải dương học, nguồn tài nguyên di truyền quý với hơn 2.000 chủng vi khuẩn và vi nấm biển đã được lưu giữ, phân lập từ nhiều hệ sinh thái biển khác nhau của Việt Nam. Đây là nền tảng quan trọng để sàng lọc các chủng vi sinh vật có khả năng sinh enzyme fucoidanase và ulvan lyase, là hai nhóm enzyme còn rất hạn chế cả ở Việt Nam và trên thế giới.

Trong quá trình thực hiện, nhóm đã triển khai chuỗi phương pháp liên ngành, kết hợp khảo sát thực địa, sinh học biển, vi sinh học, sinh hóa và công nghệ sinh học hiện đại. Các mẫu rong biển và hải sâm được thu thập trong hai đợt khảo sát tại vùng biển Nha Trang, bảo quản và xử lý theo quy trình nghiêm ngặt nhằm giữ nguyên đặc tính sinh học. Công tác phân loại ban đầu được thực hiện bởi các chuyên gia sinh học biển, kết hợp phương pháp hình thái - giải phẫu truyền thống.

Thu mẫu rong biển tại vùng biển Khánh Hòa phục vu chiết xuất fucoidan và làm nguồn phân lập vi sinh vật biển.

Từ các mẫu sinh vật biển, các nhà nghiên cứu đã chiết tách thành công các polysaccharide đặc trưng như fucoidan và ulvan, đồng thời phân tích cấu trúc và thành phần hóa học bằng các kỹ thuật phổ hiện đại. Trên cơ sở đó, các chủng vi sinh vật biển có khả năng chuyển hóa polysaccharide sulfat hóa được sàng lọc và tuyển chọn thông qua các phương pháp vi sinh chuyên biệt.

Quy trình chiết tách polysaccharide sulfate từ rong nâu, rong lục và hải sâm.

Những chủng vi sinh vật tiềm năng tiếp tục được định danh bằng công nghệ giải trình tự gene và phân tích hệ gene toàn diện, cho phép làm rõ mối quan hệ phát sinh chủng loại cũng như tiềm năng di truyền liên quan đến khả năng phân giải polysaccharide biển. Các enzyme mục tiêu sau đó được nghiên cứu sâu hơn thông qua tối ưu hóa điều kiện lên men, tinh sạch và đánh giá đặc tính xúc tác.

Từ sàng lọc đến đặc trưng enzyme

Từ Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được, nhóm đã xác định được 22 chủng vi sinh vật biển tiềm năng, bao gồm 17 chủng vi khuẩn và 5 chủng vi nấm có khả năng sinh enzyme chuyển hóa fucoidan và ulvan. Các chủng này đã được định danh, phân loại và đăng ký trình tự 16S rDNA hoặc ITS trên cơ sở dữ liệu GenBank (NCBI), góp phần làm giàu nguồn dữ liệu di truyền vi sinh vật biển Việt Nam.

Đặc biệt, nhóm đã giải mã và phân tích hệ gene của 4 chủng vi khuẩn tiềm năng, qua đó phát hiện nhiều gene mã hóa enzyme chuyển hóa polysaccharide sulfat hóa, trong đó có những gene chưa từng được báo cáo trước đây ở các chủng vi sinh vật biển Việt Nam. Lần đầu tiên, gene mã hóa fucoidanase được phát hiện ở chủng Halomonas cupida, mở ra hướng nghiên cứu enzyme mới có nguồn gốc từ vi sinh vật biển bản địa.

Giải mã và phân tích hệ gen của chủng vi khuẩn biển 0522KB3.1.

Bên cạnh đó, các enzyme ulvan lyase từ Alteromonas macleodii và enzyme phân giải fucoidan từ nấm Trichoderma longibrachiatum đã được tinh sạch và xác định các đặc tính xúc tác quan trọng như nhiệt độ tối ưu, pH, độ mặn và ảnh hưởng của ion kim loại. Đây là những bước tiến quan trọng, cho thấy nghiên cứu đã vượt ra khỏi giai đoạn sàng lọc ban đầu - mức độ thường gặp ở nhiều công trình trong nước trước đây.

Trao đổi về quá trình nghiên cứu, TS. Cao Thị Thúy Hằng cho biết: “Thách thức lớn nhất của chúng tôi không chỉ nằm ở việc tìm được chủng vi sinh vật có khả năng sinh enzyme mà còn là việc giữ được hoạt tính của enzyme trong suốt quá trình tinh sạch và bảo quản. Nhiều enzyme từ vi sinh vật biển rất nhạy cảm với điều kiện môi trường, dễ mất hoạt tính khi thay đổi pH, nhiệt độ hoặc độ mặn. Do đó, nhóm phải tối ưu rất chi tiết từng bước từ lên men đến tinh sạch”.

Cũng theo TS. Cao Thị Thúy Hằng: "Thành công quan trọng nhất của nghiên cứu là chứng minh được tiềm năng lớn của vi sinh vật biển Việt Nam trong việc cung cấp enzyme chuyên biệt, đồng thời đặt nền móng khoa học cho việc phát triển các enzyme tái tổ hợp trong tương lai, giảm phụ thuộc vào nguồn enzyme nhập khẩu".

Trên thế giới, nghiên cứu enzyme phân giải polysaccharide biển đã phát triển mạnh tại các quốc gia có nền công nghệ sinh học biển tiên tiến như Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp và Nga. Tuy nhiên, phần lớn các enzyme được công bố có nguồn gốc từ vi sinh vật vùng biển ôn đới, trong khi enzyme từ vùng biển nhiệt đới vẫn còn ít được khai thác.

So với các nghiên cứu trong nước trước đây, đề tài của nhóm không chỉ sàng lọc chủng vi sinh vật mà còn tiến thêm một bước quan trọng trong việc giải mã hệ gene, tinh sạch và đặc trưng enzyme, tiệm cận với xu hướng nghiên cứu hiện đại trên thế giới. Đây cũng là một trong số ít các công trình tại Việt Nam tiếp cận đồng thời cả polysaccharide từ rong biển và động vật biển cũng như cả vi khuẩn và vi nấm biển.

Kết quả nghiên cứu đã tạo nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển các quy trình sản xuất oligosaccharide chức năng từ polysaccharide biển, hướng tới ứng dụng trong y sinh, dược phẩm và công nghiệp sinh học biển. Việc giải mã hệ gene và công bố dữ liệu di truyền cũng mở ra khả năng sản xuất enzyme tái tổ hợp với độ ổn định và hiệu suất cao hơn trong tương lai.

Thành công của đề tài một lần nữa khẳng định, khai thác hợp lý tài nguyên vi sinh vật biển bản địa kết hợp với các phương pháp công nghệ sinh học hiện đại là hướng đi bền vững và giàu tiềm năng cho khoa học biển Việt Nam. Đây không chỉ là bước tiến về mặt khoa học mà còn góp phần quan trọng vào chiến lược phát triển kinh tế biển gắn với bảo tồn và sử dụng hiệu quả tài nguyên sinh học dài hạn.