Một nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Tiến sĩ Ben Shen dẫn đầu đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature Chemical Biology giới thiệu hai loại enzyme mới mà họ phát hiện ra có những đặc tính độc đáo và hữu ích có thể giúp chống lại các bệnh ở người, bao gồm cả ung thư. Phát hiện này được công bố vào tuần trước, cung cấp một phương pháp dễ dàng hơn để nghiên cứu và tạo ra các hóa chất tự nhiên phức tạp, bao gồm cả những chất có thể trở thành thuốc.
Trong số hàng ngàn chủng vi khuẩn trong các mẫu vật tự nhiên được thu thập bởi Viện Công nghệ & Đổi mới Y sinh Herbert Wertheim UF Scripps, có một số lọ mỏng manh chứa thứ gì đó bất ngờ nhưng có thể rất hữu ích.
Tiến sĩ Ben Shen, giáo sư hóa học, là giám đốc Trung tâm Khám phá Sản phẩm Tự nhiên tại Viện Công nghệ và Đổi mới Y sinh Herbert Wertheim UC Scripps. Trung tâm này là nơi lưu giữ một trong những bộ sưu tập hóa chất tự nhiên lớn nhất thế giới từ vi sinh vật. Nguồn: Scott Wiseman
Trung tâm Khám phá Sản phẩm Tự nhiên của viện là nơi có một trong những bộ sưu tập lớn nhất về các sản phẩm tự nhiên vi sinh vật trên thế giới.
"Rất ít người nhận ra rằng gần một nửa số thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ phê duyệt là hoặc lấy cảm hứng từ các sản phẩm tự nhiên", Shen nói. "Thiên nhiên là nhà hóa học giỏi nhất để tạo ra những sản phẩm tự nhiên phức tạp này. Chúng tôi đang áp dụng các công nghệ gen và công cụ tính toán hiện đại để hiểu về hóa học và enzyme hấp dẫn của chúng, điều này đang thúc đẩy tiến trình nghiên cứu với tốc độ chưa từng thấy. Những enzyme này là ví dụ thú vị mới nhất."
TAGP H62Trong lọ thủy tinh tại Trung tâm Khám phá Sản phẩm Tự nhiên tại Viện Công nghệ và Đổi mới Y sinh của Đại học Herbert Wertheim-Scripps, các nhà khoa học đã phát hiện ra hai loại enzyme mới hữu ích có thể giúp họ tạo ra thuốc điều trị ung thư và các bệnh khác. Nguồn: Scott Wiseman
Đặc tính độc đáo của các enzyme được phát hiện
Hai loại enzyme được nhóm nghiên cứu phát hiện có một cái tên hay, nếu hơi ngon miệng. Chúng được gọi là "oxygenase không có đồng yếu tố". Điều này có nghĩa là các enzyme của vi khuẩn sẽ tách oxy từ không khí và kết hợp nó thành các hợp chất mới mà không cần đến kim loại thông thường hoặc các đồng yếu tố khác cần thiết để bắt đầu các phản ứng hóa học cần thiết.
Phương pháp tổng hợp các chất phòng thủ mới này sẽ mang lại lợi thế sinh tồn, cho phép sinh vật chống lại sự lây nhiễm hoặc kẻ xâm lược. Bởi vì enzyme đối với các nhà hóa học cũng giống như máy khoan hay lưỡi cưa đối với thợ mộc, nên chúng cung cấp cho các nhà khoa học những cách mới để tạo ra các chất hữu ích, các tác giả đầu tiên của bài báo, các nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Chun Gui, Tiến sĩ và Edward Kalkreuter, Tiến sĩ, cho biết.
Gui và Kalkreuter cho biết ngay lập tức, việc phát hiện ra hai loại enzyme TnmJ và TnmK2 đã giải quyết được bí ẩn còn sót lại về cách TiancimycinA, một hợp chất kháng sinh và chống ung thư tiềm năng được phòng thí nghiệm của Shen phát hiện lần đầu tiên vào năm 2016, lại trở nên mạnh mẽ đến vậy.
Gui cho biết enzyme này cho phép vi khuẩn tạo ra các hợp chất nhắm mục tiêu và phá vỡ DNA. Điều này sẽ giúp ích rất nhiều trong việc chống lại virus hoặc vi trùng khác - hoặc tiêu diệt ung thư.
TiancimycinA: một hợp chất mạnh
TiancimycinA đang được phát triển như một phần của liệu pháp kháng thể nhắm mục tiêu điều trị bệnh ung thư. Loại liệu pháp kết hợp kháng thể-thuốc này là một phương pháp mới đang phát triển nhanh chóng để chống lại bệnh ung thư. Nhưng một bước quan trọng trong việc sử dụng TiancimycinA làm trọng tải kháng thể là tạo ra đủ kháng thể để cho phép thực hiện các nghiên cứu lớn hơn. Điều này tỏ ra đầy thách thức.
Gui cho biết: “Ngay cả khi chúng tôi xác định được gen chịu trách nhiệm mã hóa TiancimycinA, chúng tôi cũng không thể dự đoán một số bước cần thiết để tổng hợp TiancimycinA. Hai enzyme được mô tả trong nghiên cứu này rất bất thường”.
TiancimycinA lần đầu tiên được phát hiện ở một loại vi khuẩn sống trong đất, loài Streptomyces trong thư viện chủng của Trung tâm Khám phá Sản phẩm Tự nhiên. Để tạo ra vũ khí hóa học mạnh mẽ như vậy, sinh vật này phải giải quyết một vấn đề. Bằng cách nào đó, nó phải phá vỡ ba liên kết cacbon-cacbon có tính ổn định cao và thay thế chúng bằng các liên kết cacbon-oxy phản ứng mạnh hơn. Trong một thời gian dài, các nhà khoa học không hiểu vi khuẩn làm được điều này như thế nào.
Khám phá tiềm năng thu thập
Để giải đáp bí ẩn này, tại Viện sẽ mất nhiều ngày. Đương nhiên, trong số 125.000 chủng vi khuẩn được Trung tâm Khám phá Sản phẩm thu thập, chúng tôi đã tìm thấy những vi khuẩn khác có thể tạo ra các sản phẩm tự nhiên tương tự như TiancimycinA và phân tích chúng bộ gen để tìm kiếm manh mối của sự tiến hóa.
Bộ sưu tập chủng lịch sử này từ lâu đã được lưu trữ dưới tầng hầm của một công ty dược phẩm, được tích lũy trong nhiều thập kỷ sau khi phát hiện ra penicillin bởi niềm hy vọng của cộng đồng khoa học trong việc tìm ra loại kháng sinh tuyệt vời tiếp theo. Qua nhiều năm, các bộ sưu tập đã thu được một số loại thuốc quan trọng trong lịch sử, bao gồm cả thuốc kháng sinh điều trị bệnh lao streptomycin và thuốc cấy ghép nội tạng sirolimus. Nhưng hầu hết các chủng vi khuẩn đông khô trong bộ sưu tập đều nằm im lìm trong chai thủy tinh, không được chú ý.
Năm 2018, Ben Shen đã giành chiến thắng trong một cuộc thi về chủng này, cho phép nó được nghiên cứu đầy đủ trong môi trường học thuật, mở ra cơ hội cho khoa học. Nhóm của ông hiện đang phát triển các phương pháp nghiên cứu các chủng, đọc bộ gen của chúng và lưu trữ thông tin trong cơ sở dữ liệu có thể tìm kiếm để cộng đồng khoa học truy cập. Các kỹ thuật tin sinh học và giải trình tự bộ gen hiện đại đã chứng minh rằng có thể có tới 30 cụm gen thú vị trong mỗi chủng vi khuẩn mà họ nghiên cứu, nhiều trong số đó mã hóa các sản phẩm tự nhiên mà các nhà khoa học chưa từng ghi nhận trước đây.
Triển vọng và tác động trong tương lai
Việc phát hiện ra enzyme không có đồng yếu tố mới chỉ là ví dụ mới nhất về sự giàu có của hóa học tại Viện Scripps WertheimUF, Shen cho biết. Khám phá của họ đã khơi dậy niềm đam mê mới cho việc nghiên cứu sâu hơn về nguyên nhân của quá trình tiến hóa hóa học độc đáo này và những cách thức mà nó có thể tỏ ra hữu ích.
"Bài báo này nhấn mạnh rằng thiên nhiên vẫn còn nhiều điều bất ngờ đối với chúng ta," Shen nói. "Nó có thể dạy chúng ta rất nhiều về hóa học và sinh học cơ bản, đồng thời cung cấp cho chúng ta những công cụ và nguồn cảm hứng mà chúng ta cần để biến những phát hiện trong phòng thí nghiệm thành những loại thuốc có tác động đến xã hội và giải quyết nhiều vấn đề mà nhân loại đang phải đối mặt."