Từ nguồn nguyên liệu tiềm năng đến lời giải bằng công nghệ enzyme sinh học

Việt Nam sở hữu hệ sinh thái biển giàu có, nơi các loài rong biển và động vật không xương sống như hải sâm, cầu gai... chứa hàm lượng lớn polysaccharide sulfat hóa. Các hợp chất như fucoidan, ulvan hay sulfated chondroitin từ lâu đã được giới khoa học chứng minh có khả năng điều hòa miễn dịch, chống viêm và ứng dụng rộng rãi trong y sinh. Tuy nhiên, cấu trúc của các hợp chất này vô cùng phức tạp. Việc khai thác và làm chủ các enzyme chuyên biệt để "giải mã" và chuyển hóa chúng thành các oligosaccharide có hoạt tính cao vẫn là một bài toán hóc búa đối với công nghệ sinh học biển.

Đón đầu xu thế, Phòng Hóa phân tích và Phát triển công nghệ (Viện Hải dương học) đã triển khai các nghiên cứu chuyên sâu về chiết tách và đánh giá đặc trưng cấu trúc của polysaccharide biển. Điểm sáng trong hướng đi của đơn vị là việc sàng lọc các chủng vi sinh vật biển bản địa có khả năng sinh enzyme chuyển hóa.

So với các phương pháp hóa học truyền thống, việc sử dụng enzyme sinh học mang lại những ưu điểm vượt trội: tác động chính xác vào cấu trúc đích, giảm thiểu hóa chất độc hại trong quá trình chiết xuất và tạo ra các sản phẩm có hoạt tính sinh học tối ưu cho công nghiệp dược phẩm và thực phẩm chức năng.

Từ "ngân hàng" vi sinh vật đến enzyme sinh học có giá trị

Tiếp nối hành trình chinh phục biển, TS. Cao Thị Thúy Hằng cùng nhóm nghiên cứu Viện Hải dương học đã hiện thực hóa bằng đề tài: “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) 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

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.

Chia sẻ thêm về hành trình nghiên cứu, TS. Cao Thị Thúy Hằng cho biết: Trước khi triển khai đề tài, nhóm đã có nhiều năm tập trung vào chiết tách, phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính sinh học của polysaccharide sulfat hóa từ rong biển và động vật không xương sống biển. Tuy nhiên, khi chuyển sang hướng nghiên cứu enzyme chuyên biệt phân giải các hợp chất này, nhóm gặp không ít trở ngại. Một trong những khó khăn lớn là số lượng enzyme đã được công bố trên thế giới còn hạn chế, đặc biệt với nguồn vi sinh vật biển nhiệt đới. Điều đó khiến quá trình phân tích tin sinh học và chú giải gene thiếu dữ liệu tham chiếu, đòi hỏi nhóm phải tự xây dựng hướng tiếp cận và phân tích độc lập.

Về định hướng lâu dài, nhóm sẽ tiếp tục khai thác sâu hơn bộ gene vi sinh vật biển bản địa, tiến tới nghiên cứu và phát triển enzyme tái tổ hợp nhằm nâng cao độ ổn định và khả năng ứng dụng. Mục tiêu xa hơn là xây dựng một bộ sưu tập vi sinh vật biển Việt Nam tích hợp đầy đủ thông tin định danh - di truyền - enzyme - hoạt tính sinh học, làm nền tảng cho nghiên cứu và khai thác bền vững tài nguyên sinh học biển.

Kết quả nghiên cứu đã tạo nền tảng khoa học 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 nghệ 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 có độ ổn định và hiệu suất cao hơn. Thành công của đề tài khẳng định tiềm năng to lớn của nguồn vi sinh vật biển bản địa, đồng thời góp phần thúc đẩy định hướng phát triển khoa học biển gắn với khai thác bền vững và kinh tế biển lâu dài.

Cung cấp tin: Chu Thị Ngân, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học