Các hợp chất tự nhiên từ động vật: Phát hiện mở đường

Lâu nay, chúng ta vẫn cho là động vật thường không có nhiều hoạt chất tự nhiên như thực vật nhưng phát hiện mới đã làm thay đổi quan điểm đó.

Các hợp chất tự nhiên, hoặc nói chính xác hơn là những chất biến dưỡng thứ cấp hay chuyên biệt, là những chất chỉ có ở một ít loài sinh vật nhất định. Những hợp chất này giúp sinh vật thích nghi với môi trường bao gồm các đối tượng hữu sinh. Chính nhờ đặc tính tương tác với sinh vật mà các hợp chất tự nhiên có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống con người như làm thuốc, hay chất tạo hương liệu hoặc tạo màu. Do khả năng chuyển động rất linh hoạt cùng tập tính dị dưỡng (lấy những hợp chất cần thiết bằng cách ăn các sinh vật khác), động vật thường không cần phải tạo ra các hợp chất tự nhiên như thực vật và vi sinh vật. Các nhà khoa học lâu nay cho rằng những trường hợp quan sát thấy lượng hoạt chất tự nhiên đáng kể ở động vật là khá hiếm, và thường thì đây lại là sản phẩm của những vi sinh vật cộng sinh với loài động vật đó. Ví dụ như hợp chất 2,3-indolinedione chống nhiễm nấm ở loài Palaemon macrodactylus thuộc họ tôm càng là do các loài vi khuẩn Alteromonas cộng sinh tạo ra. Ecteinascidin-742 được Cục Quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) chứng nhận khả năng chữa ung thư là hợp chất chống vi sinh ở loài động vật sống đuôi Ecteinascidia turbinata, và đây là sản phẩm của một loại vi khuẩn cộng sinh thuộc ngành Pseudomonadota. Ví dụ nổi bật hơn cả có lẽ là độc tố tetrodotoxin trong cá nóc (họ Tetraodontiae) có thể giết chết con vật nào ăn phải. Ngoài cá nóc, độc tố này còn xuất hiện ở rất nhiều loài động vật biển như sam (họ Limulidae) hay ốc mắt ngọc (họ Naticidae). Nghiên cứu hơn 30 năm qua cho thấy có hơn 150 loài vi khuẩn cộng sinh với động vật biển tạo ra tetrodotoxin dù người ta vẫn chưa tìm ra các gene tham gia sinh tổng hợp độc tố này.

Tuy nhiên, nhiều kết quả nghiên cứu quan trọng trong hai thập niên vừa qua đã làm thay đổi cách nhìn nhận rằng động vật không tạo hợp chất tự nhiên. Đặc biệt, nhiều loài động vật thủy sinh và côn trùng bắt đầu được ghi nhận là thực sự có khả năng sinh tổng hợp các chất này bằng những enzyme do chính bộ gene của chúng mã hóa chứ không phải là nhờ các loài vi sinh vật cộng sinh. Terpenoid là ví dụ cho các hợp chất động vật có thể tạo ra, cũng là nhóm lớn nhất trong tất cả các nhóm hợp chất tự nhiên. Với hơn 50.000 chất, terpenoid chủ yếu được tìm thấy ở thực vật với cấu trúc là đa phân của các đơn vị 5 carbon ở dạng isoprene. Về chức năng, terpenoid đóng vai trò quan trọng như bảo vệ thực vật chống động vật ăn cây cỏ (các sesquiterpene lactone và saponin), dẫn dụ côn trùng giúp thụ phấn (các loại monoterpenoid), kháng vi sinh (capsidiol và oryzalexin), v.v… Terpenoid cũng bao gồm các loại dược phẩm quan trọng như thuốc chống ung thư (Taxol), thuốc chữa sốt rét (artemisinin), hay tá chất QS-21 hỗ trợ hiệu quả miễn dịch của nhiều loại vaccine.

Giới nghiên cứu đã xác định được hơn 4.000 cấu trúc terpenoid ở các loài động vật biển không xương sống có lối sống không di chuyển. Các loài thuộc lớp san hô Octocorallia (san hô mềm và các loài họ hàng, thường có cấu trúc đối xứng 8 chiều) tạo ra nhiều loại terpenoid có giá trị cao như các hợp chất desmethyleleutherobin và polyanthellin A chống ung thư, hay loạt các hợp chất pseudopterosin kháng viêm. Ở nhiều loài san hô, các nhà khoa học nhận thấy rằng các loài vi tảo cộng sinh với những san hô này có khả năng tạo ra terpenoid. Trong nhiều trường hợp khác, người ta vẫn chưa rõ bản thân san hô hay những vi sinh vật cộng sinh mới thực sự là nguồn terpenoid, và do vậy gặp nhiều khó khăn trong việc khai thác một cách bền vững các terpenoid quý từ biển.

Vấn đề lớn này cuối cùng đã được giải đáp bằng hai nghiên cứu độc lập, cùng công bố trên tạp chí Nature Chemical Biology trong tháng 5/2022. Nhóm nghiên cứu sinh học biển của GS. Bradley S. Moore (Đại học California, San Diego, Mỹ) và nhóm nghiên cứu hóa dược của GS. Eric W. Schmidt (Đại học Utah, Mỹ) đã song song chứng minh, chính san hô mềm thực sự tạo ra được các hợp chất terpenoid giá trị nêu trên.

Để tìm con đường sinh tổng hợp terpenoid ở san hô mềm, hai nhóm nghiên cứu tập trung vào bước đầu tiên là sự hình thành cấu trúc khung terpene từ các tiền chất isoprenyl pyrophosphate do các enzyme terpene synthase xúc tác. Các nhà nghiên cứu này dùng công cụ tìm kiếm trình tự tương đồng BLAST để tìm terpene synthase ở san hô mềm dựa trên những terpene synthase đã biết ở thực vật và vi sinh vật nhưng kết quả ban đầu không mấy khả quan. Ngoài ra, một vài nghiên cứu trước đây đã cho thấy terpene synthase ở những sinh vật biển như tảo đỏ lại giống với terpene synthase vi sinh vật chứ không phải thực vật. Từ đó, cả hai nhóm nghiên cứu đã thay đổi thuật toán tìm kiếm để chủ yếu dựa vào terpene synthase vi sinh vật. Kết quả cho thấy tất cả các nhóm san hô mềm dù có vi sinh vật cộng sinh hay không đều có mang gene mã hóa cho terpene synthase.

Tuy có trình tự và thậm chí cấu trúc rất giống với terpene synthase vi sinh vật, các terpene synthase ở san hô mềm lại thuộc một nhóm riêng biệt khi được phân tích tiến hóa. Khi các gene này được biểu hiện và thử nghiệm hoạt tính, hai nhóm nghiên cứu thu được các cấu trúc terpene quen thuộc ở san hô mềm. Nổi bật là klysimplexin R synthase ở loài san hô Erythropodium caribaeorum với sản phẩm có cấu trúc đặc trưng của hợp chất eleutherobin có hoạt tính chống ung thư trong thử nghiệm in vitro. Một số terpene synthase khác tạo ra cấu trúc lõi cembrenoid đặc trưng cho hơn 1.200 hợp chất terpenoid ở san hô mềm. Ngoài những cấu trúc diterpene (20 carbon) này thì sesquiterpene (15 carbon) cũng được ghi nhận trong sản phẩm của các terpene synthase khác ở san hô mềm. Như dự đoán, các nhà khoa học không tìm thấy terpene synthase ở các loài thuộc lớp san hô Hexacorallia (san hô cứng và các loài họ hàng) vốn không tạo ra terpenoid. Khi giải trình tự bộ gene của một số loài san hô mềm, hai nhóm nghiên cứu thấy rõ các terpene synthase có intron (trình tự nucleotide không có chức năng mã hóa nằm giữa các trình tự mã hóa của một gene), và các gene trên nhiễm sắc thể mang terpene synthase có khoảng cách với nhau rất lớn. Đây đều là những chỉ dấu rõ ràng cho thấy các terpene synthase này mang bản chất của sinh vật nhân thật (eukaryotae) chứ không phải của sinh vật nhân sơ (prokaryotae) – tức đây đúng là gene của san hô, không phải của các loại vi sinh vật nhân sơ cộng sinh với chúng.

Một điều rất đáng chú ý là khi phân tích bộ gene nhiều loài san hô mềm, các nhà khoa học phát hiện ra những gene mã hóa cho terpene synthase được tổ chức theo nhóm với các gene mã hóa cho các enzyme khác thường tham gia sinh tổng hợp terpenoid. Hầu hết các hợp chất tự nhiên đều được oxide hóa nhờ các enzyme như cytochrome P450 monooxygenase hay dehydrogenase, rồi lại tiếp tục được nhiều loại enzyme khác biến đổi như acyltransferase hay glycosyltranferase. Quan điểm trước đây cho rằng gene được phân bố ngẫu nhiên trong bộ gene của sinh vật eukaryotae không còn đúng trong nhiều trường hợp. Ở san hô mềm, ít nhất 6 loài cho thấy các gene cùng liên quan đến sinh tổng hợp terpenoid nằm “cạnh nhau” trên nhiễm sắc thể (“Cạnh nhau” ở đây cần được hiểu là không có gene nào chen giữa những gene này, còn khoảng cách thực tế trên nhiễm sắc thể vẫn rất lớn do giữa các gene là những trình tự phi mã hóa). Hiện tượng này rất giống với hiện tượng gene tham gia cùng một con đường sinh tổng hợp thì cũng tồn tại theo nhóm trên nhiễm sắc thể nhiều loài thực vật. Có rất nhiều ví dụ cho các cụm gene như vậy, chẳng hạn như trong sinh tổng hợp noscapine (thuốc trị ho và có khả năng chống tế bào ung thư) ở cây thuốc phiện, momilactone (chống các loại cây khác) ở lúa gạo, hay 2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA: kháng khuẩn) ở cây bắp ngô.

Khi phân tích các terpene synthase cùng với lịch sử tiến hóa của san hô mềm, những người làm nghiên cứu này nhận thấy hai nhóm phân loài chính của san hô mềm đều có terpene synthase. Tổ tiên chung gần nhất của hai nhóm này sống cách đây hơn 580 triệu năm, như vậy khả năng sinh tổng hợp terpenoid ở san hô mềm đã tồn tại từ trước thời kỳ bùng nổ đa dạng sinh vật kỷ Cambrie, và có lẽ đã đóng góp vào sự thích nghi của san hô mềm từ đó cho đến nay. Tuy đây không phải là một hiện tượng sinh tổng hợp mới có gần đây, nhưng việc nó được phát hiện đã mở rộng đáng kể lĩnh vực nghiên cứu trao đổi chất ở động vật. Một số ít loài động vật có khả năng sinh tổng hợp terpenoid đã biết trước đây như côn trùng dùng loại enzyme khác để tạo ra cấu trúc terpene. Việc tìm ra hiện tượng san hô mềm dùng terpene synthase để tổng hợp terpene như thực vật và vi sinh vật có ý nghĩa hết sức to lớn. Những kết quả này cho thấy vẫn còn rất nhiều vấn đề cần tìm hiểu về năng lực sinh tổng hợp lẫn thích nghi hóa học của động vật. Ngoài ra, hai nhóm nghiên cứu trên cũng một lần nữa nhấn mạnh tầm quan trọng của liên kết đa ngành trong việc tìm hiểu những vấn đề phức tạp của sinh hóa hiện đại. Trong trường hợp cụ thể này, năng lực thu mẫu và nuôi cấy san hô lẫn vi sinh vật cộng sinh, vai trò của công nghệ giải trình tự bộ gene và bộ RNA quy mô lớn, trình độ ứng dụng công nghệ thông tin trong xử lý khối lượng lớn dữ liệu sinh học, cùng độ nhạy và chính xác của các phương pháp hóa phân tích hiện đại là không thể thiếu.

Hiện tượng gene được tổ chức theo nhóm trên nhiễm sắc thể ở san hô mềm tương tự như thực vật cũng khiến người ta đặt ra câu hỏi có phải cách sống bất di bất dịch khiến hai loại sinh vật này có chung đặc điểm tiến hóa về mặt sinh tổng hợp như vậy. Một vấn đề đáng quan tâm khác là tại sao san hô cứng lại tự vệ bằng các phân tử peptide ngắn thay vì bằng terpenoid như san hô mềm trong hơn nửa tỷ năm qua. Những câu hỏi hóc búa này có lẽ sẽ còn tốn nhiều thời gian và công sức của giới nghiên cứu. Trước mắt, khám phá mới về sinh tổng hợp terpenoid ở san hô mềm sẽ giúp chúng ta tiếp cận trực tiếp nhiều dược chất quý của đại dương mà lâu nay rất khó khai thác. Sự tồn tại gần nhau trên nhiễm sắc thể của các gene cùng tham gia sinh tổng hợp các loại terpenoid này chính là chìa khóa vàng giúp các nhà khoa học nhanh chóng giải mật toàn bộ con đường tạo các hợp chất quý này.