Khám phá bí mật hóa học của cây cỏ

Không chỉ làm lương thực, con người từ lâu đã dùng cây cỏ làm dược liệu, hương liệu, màu sắc, nguyên liệu xây dựng và may mặc nhờ các hoạt chất tự nhiên của chúng. Hiểu biết những “bí mật” hóa học mà thực vật nắm giữ là chìa khóa mở ra cơ hội mới trong sản xuất thuốc và nhiều hoạt chất khác cho nhu cầu ngày càng đa dạng của xã hội.

Cây hỷ thụ (Camptotheca acuminata) tích lũy campothecin ở mức chưa tới 1% trọng lượng lá khô. 

Nguồn hoạt chất phong phú nhưng không dễ tiếp cận

Nhiều trăm triệu năm thích nghi với đời sống gần như bất động đã cho thực vật khả năng dùng các hợp chất hóa học cho mọi quy trình sống từ dinh dưỡng, sinh sản, liên lạc, đến phòng vệ. Các hoạt chất này giúp thực vật tương tác với môi trường, trong đó có tác động đến động vật như con người qua màu sắc, mùi vị, và các tác động sinh lý – hóa học khác. Ngược lại, con người cũng tận dụng những tài nguyên này để phục vụ cho mục đích của mình, đặc biệt là làm thuốc.

Dược tính của cây cỏ đã được biết đến từ xa xưa. Đông Á được coi là nơi sử dụng cây thuốc phong phú và lâu đời, nổi bật là cây thanh hao hoa vàng (Artemisia annua) sản xuất artemisinin chữa sốt rét (Nobel y sinh năm 2015). Truyền thống này duy trì qua truyền miệng và nhiều bản ghi chép suốt hàng ngàn năm. Ngoài tác phẩm tương truyền “Thần Nông bản thảo kinh” chép 365 vị thuốc cây cỏ từ hơn 2000 năm trước CN thì còn có các tác phẩm của Cát Hồng (283–243) hay Lý Thời Trân (1518–1593) ở Trung Quốc, Nguyễn Bá Tĩnh (Tuệ Tĩnh, 1330–1400) hay Lê Hữu Trác (Hải Thượng Lãn Ông, 1720–1791) ở Việt Nam, và Hứa Tuấn (Heo Jun, 1546–1615) ở Triều Tiên ^1,2. Gần đây, sách “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam” là một bộ sưu tập dược tính cây cỏ rất công phu².

Không chỉ Đông Á, hầu như mọi nơi đều có truyền thống dùng thảo dược. Một trong những cây được ghi nhận làm thuốc sớm nhất là anh túc (Papaver somniferum), được người Sumer ở nam Lưỡng Hà trồng từ hơn 3000 năm trước CN. Kinh Vệ-đà của Ấn Độ giáo cổ có rất nhiều phương thuốc thực vật. Hai bộ sử thi Iliás và Odýsseia của Hómēros (khoảng 800 năm trước CN ở Hy Lạp) tuy không phải y văn nhưng cũng nhắc đến 63 vị thảo dược ở Tiểu Á và Ai Cập. Châu Âu thế kỷ XVI nổi bật có Rembert Dodoens hệ thống lại tác dụng chữa bệnh của cây cỏ. Gần đây hơn thì ta biết đến tác dụng chữa ung thư của thông đỏ (Taxus spp., tạo paclitaxel) ở Mỹ và dừa cạn (Catharanthus roseus, tạo vinblastine và vincristine) có nguồn gốc từ châu Phi³.

Ngoài thuốc, những chất tạo màu sắc của hoa lá (anthocyanidin cho màu xanh đến tím, carotenoid cho màu đỏ của lá mùa thu), tạo hương của trái (các terpenoid như nootkatone cho mùi cam quýt, hỗn hợp myrcene với terpenoid khác cho mùi từ xoài đến chanh), thay đổi trạng thái sinh lý – thần kinh của người dùng (các alkaloid như caffeine trong cà-phê, theobromine trong chocolat, hay morphine trong thuốc phiện), và tạo tính đàn hồi cho cao su tự nhiên (cis-1,4-polyisoprene), v.v… đều được con người tận dụng trong suốt chiều dài lịch sử từ khi chưa có hiểu biết gì về bản chất hóa học của chúng.

Tuy có nghi ngờ đây đó rằng y dược học hiện đại phủ nhận công dụng của dược liệu từ cây cỏ hay hoàn toàn phụ thuộc vào hóa chất tổng hợp, nhưng trên thực tế 60%  số “thuốc Tây” hiện nay có xuất phát hoặc dựa trên các hợp chất tự nhiên⁴. Chỉ trong điều trị ung thư, hiện nay có ba nhóm thuốc nổi bật từ thực vật được lưu hành trên thị trường. Ngoài hai nhóm alkaloid (như vinblastine) và taxane (như paclitaxel) đã nêu, một nhóm nữa là các dẫn xuất lignin (như podophyllotoxin từ họ hoàng mộc Berberidaceae)⁵. Tất cả những chất này đều gần như không thể tổng hợp được bằng các phương pháp hóa học.

Các hợp chất này có ý nghĩa y học và giá trị thương mại rất lớn, riêng camptothecin và các dẫn xuất chữa ung thư của nó đã có thị trường hơn 1 tỷ USD mỗi năm⁶. Tuy vậy, tiềm năng của chúng chưa được khai thác đầy đủ. Thực vật tiến hóa để tồn tại chứ không phải phục vụ con người nên chúng chỉ tích lũy những hoạt chất này ở mức rất thấp. Cây thông đỏ (tạo paclitaxel trong vỏ) mất vài chục năm mới trưởng thành, và bóc vỏ của ba cây trưởng thành (và do đó làm chết cây) mới đủ chữa cho một bệnh nhân ung thư vú⁷. Còn hỷ thụ (Camptotheca acuminata) chỉ tích lũy campothecin ở mức chưa tới 1% trọng lượng lá khô. Một vấn đề nữa là không phải cây nào cũng dễ tìm hay dễ trồng. Ở Việt Nam, thông đỏ chỉ mọc ở núi cao như Hoàng Liên Sơn hay Lâm Đồng; còn hỷ thụ chỉ mọc ở một vài khu vực ở Trung Quốc. Không chỉ vấn đề lượng, độ tinh sạch cũng là một khó khăn vì thực vật thường tạo ra hỗn hợp có rất nhiều chất có hoạt tính ta không mong muốn. Cấu trúc phức tạp của các chất này cũng khiến việc tổng hợp hóa học rất khó khăn (Hình 1). Ngoài ra, quá trình tổng hợp, tách chiết cũng cần nhiều dung môi từ dầu hỏa – một tài nguyên hữu hạn và không thân thiện với môi trường.

Trước những thách thức trên, giới khoa học đã tìm hiểu cách thức cây cỏ tự tổng hợp những hợp chất có hoạt tính này với mục tiêu tạo ra những dược liệu hay các hoạt chất hữu ích khác theo những cách hiệu quả, bền vững hơn.

Nghiên cứu các hoạt chất tự nhiên đòi hỏi kiến thức đa ngành

Như sách “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam” thận trọng chỉ ra, nhiều vị thuốc từ cây cỏ được “sử dụng chỉ mới dựa vào kinh nghiệm và học thuyết âm dương ngũ hành…, phần lớn chưa được giải thích bằng cơ sở khoa học hiện đại” ². Từ thế kỷ XX, nhiều nhà khoa học có chung suy nghĩ đã tích cực tham gia nghiên cứu tác dụng thực sự của các vị thuốc từ cây cỏ nhằm giải đáp những câu hỏi như hợp chất nào, tác dụng gì, và liều lượng ra sao cho những bệnh cụ thể nào. Đây là những công việc đòi hỏi chuyên môn từ nhiều ngành như hóa học, dược học, sinh học, y học lâm sàng mà việc ứng dụng artemisin từ cây thanh hao hoa vàng vào chữa sốt rét và phát hiện dược chất vinblastine chữa ung thư ở cây dừa cạn là hai ví dụ nổi bật³.

Hình 1: Một số hoạt chất tự nhiên được nhắc đến trong bài. Tuy dược tính đối với con người đã khá rõ, song cách thức sinh tổng hợp cũng như ý nghĩa của chúng đối với bản thân thực vật vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu còn nhiều câu hỏi để ngỏ.

camptothecin, hỷ thụ (Camptotheca acuminata).

vinblastine, dừa cạn (Catharanthus roseus).

paclitaxel (Taxol), thông đỏ (Taxus).

artemisinin, thanh hao hoa vàng (Artemisia annua).

Không dừng lại ở đó, người ta còn tìm hiểu cách thức những hợp chất này được tổng hợp bằng những cơ chế tự nhiên của thực vật. Những kiến thức này sẽ giúp ta đưa ra những phương pháp sản xuất những hợp chất có ích bằng các nhân tố xúc tác sinh học (enzyme) thay vì dựa hoàn toàn vào tách chiết và tổng hợp hóa học.

Sự phát triển vượt bậc của sinh học phân tử cùng công nghệ giải trình tự di truyền (DNA và RNA) từ đầu thế kỷ XXI đã mở ra một giai đoạn phát triển sôi động trong nghiên cứu các hợp chất tự nhiên từ thực vật. Từ khi Arabidopsis thaliana (một loại cây thuộc họ cải, Brassicaceae, thường dùng làm mô hình trong nghiên cứu) trở thành loài thực vật đầu tiên được giải trình tự bộ gene vào năm 2000, bộ gene hàng trăm loài thực vật khác cũng đã được giải trình tự (riêng thực vật có hoa đã hơn 200). Dự án giải trình tự 1000 loài thực vật quan trọng (1000 Plants Initiative) vẫn đang tiếp diễn do Đại học Alberta (Canada) và Viện Genomics Bắc Kinh (Trung Quốc) chủ trì đóng góp một phần đáng kể vào con số này⁸.

Đồng thời, những công nghệ hóa phân tích hiện đại như GC-MS và LC-MS (sắc ký khí và sắc ký lỏng hiệu năng cao kèm với phổ khối) hay NMR (phổ cộng hưởng từ hạt nhân) cũng cho phép định tính và định lượng các hợp chất tự nhiên chính xác và nhạy hơn bao giờ hết. Giờ đây, phân tích các hợp chất tự nhiên ở mức nanogram giữa hàng trăm các hợp chất khác trong mô sinh vật không còn là điều ngoài tầm tay.

Những người làm nghiên cứu hoạt chất tự nhiên ngày nay còn có sự trợ giúp của tin học, đặc biệt là trí tuệ nhân tạo và máy học (machine learning) để phân tích và kết nối những bộ dữ liệu hóa học và di truyền khổng lồ. Từ đây, các chuỗi phản ứng sinh tổng hợp từ những tiền chất đơn giản như đường đến các hoạt chất phức tạp trong cơ thể thực vật có thể được xác định hoàn chỉnh. Ví dụ như con đường sinh tổng hợp noscapine (hoạt chất chống ho và có tiềm năng chữa ung thư từ cây anh túc) đã được xác định hết bảy bước quan trọng chỉ trong năm năm một phần quan trọng là nhờ sự phối hợp liên ngành này⁹. Để so sánh, nghiên cứu các bước quan trọng tương tự trong sinh tổng hợp morphine cũng ở cây anh túc chỉ trước đó không lâu đã phải mất tới 20 năm.

Hình 2: Thành tựu nghiên cứu sinh tổng hợp các hoạt chất tự nhiên từ thực vật có đóng góp của nhiều ngành và nhiều nhóm nghiên cứu. Đại học Calgary (Canada) xác định các enzyme sinh tổng hợp noscapine có tác dụng chữa ho và ung thư từ cây anh túc. Đại học Stanford (Mỹ) dùng những enzyme này, kết hợp với các yếu tố di truyền từ nhiều loài thực vật và động vật khác để sản xuất noscapine bằng tế bào nấm men. [Minh hoạ của A. Cravens, Đại học Stanford]

Tương tự, nhiều con đường sinh tổng hợp khác đã được xác định hoàn chỉnh gần đây. Hai ví dụ mới nhất là sinh tổng hợp podophylloxin ở họ hoàng mộc, hay cannabinoid – các hợp chất chịu trách nhiệm cho hoạt tính sinh học của cây Cannabis sativa (gai dầu hay cần sa tùy theo giống). Chỉ trừ con đường vinblastine, những con đường còn lại trong các ví dụ trên đã được đưa toàn bộ hay một phần vào nấm men hay cây thuốc lá, hai hệ thống dễ kiểm soát bằng công nghệ sinh học, để sản xuất mà không phụ thuộc vào cây thuốc gốc (Hình 2)^10–14.

Triển vọng nghiên cứu và phát triển

Ngoài mục tiêu hiển nhiên là tiếp tục tìm hiểu những con đường sinh tổng hợp chưa được xác định hoàn chỉnh (như paclitaxel, camptothecin hay cis-1,4 -polyisoprene), những người làm nghiên cứu vẫn luôn tìm kiếm những hoạt chất mới và định hoạt tính chính xác những vị thuốc cây cỏ đã biết trong dân gian. Điều này có lẽ lại càng có ý nghĩa hơn ở những nơi có nguồn tài nguyên cây thuốc phong phú nhưng vẫn đang được khai thác chủ yếu theo kinh nghiệm truyền thống như Việt Nam. Hợp tác quốc tế với những nước có nền khoa học, công nghệ tiên tiến là một cách tiếp cận tốt. Một điều đáng đề cập là thế giới đã có Công ước về đa dạng sinh học¹⁵ để đảm bảo quyền lợi của những nơi có tài nguyên sinh vật dồi dào nhưng thiếu công nghệ hay kỹ năng khai thác.

Xác định các enzyme tham gia trực tiếp vào chuỗi phản ứng hóa học tạo ra các hợp chất tự nhiên thôi chưa đủ. Di truyền học hiện đại cho thấy ta cần phải tìm hiểu hơn nữa về sự phân bố của các enzyme này bên trong cấu trúc tế bào và vai trò của các nhân tố DNA phi mã hóa (tức không trực tiếp mã hóa cho protein/enzyme) trong điều hoà chuỗi sinh tổng hợp. Ngoài ra, như đã nói ở trên, chọn lọc tự nhiên tạo nên những enzyme giúp thực vật đủ thích nghi với đời sống của bản thân chúng, do đó chúng ta cần tối ưu hóa hay đa dạng hóa hoạt tính của những enzyme này cho nhu cầu của con người. Việc thay đổi hoạt tính của enzyme để nó tốt hơn dạng tự nhiên như thế có thể đạt được thông qua phương thức tiến hóa có định hướng như công trình đạt giải Nobel Hóa học năm 2018¹⁶, hay sử dụng các tiền chất tổng hợp (bên cạnh tiền chất tự nhiên)^11,12.

Tìm hiểu sinh tổng hợp các hoạt chất tự nhiên giúp ta hiểu rõ những chiến lược sinh tồn của sinh giới, ít nhất là về hóa học. Ở những nơi có mức độ đa dạng sinh học cao như Việt Nam thì có lẽ các chiến lược này (cũng như những hoạt chất chúng tạo ra) có mức độ đa dạng tương ứng. Bên cạnh tất cả những lợi ích về sức khỏe và kinh tế, nghiên cứu các hợp chất tự nhiên ở thực vật sẽ giúp ta hiểu thêm về tiến hóa, cũng như trân trọng thêm sự đa dạng sinh học của những vùng đất mình đi qua.□

——

—

Đặng Thị Thu Thủy – Giảng viên (assistant professor), trưởng nhóm nghiên cứu sinh hóa các hợp chất tự nhiên thực vật.

Nguyễn Trịnh Đôn – Nghiên cứu viên

Đại học British Columbia, Okanagan (Canada).

Nguồn tham khảo:

¹ Historical sources relevant for study of medicinal plants’ use. Pharmacognosy Reviews (2012)

² Sách “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam”. NXB Y Học, Hà Nội (2004).

³ Con đường sinh tổng hợp chất chống ung thư vinblastine từ cây dừa cạn. Tia Sáng (07/06/2018). http://tiasang.com.vn/-khoa-hoc-cong-nghe/Con-duong-sinh-tong-hop-chat-chong-ung-thu-vinblastine-tu-cay-dua-can-12455

⁴ Back to nature: extinction of medicinal plants threatens drug discovery. Journal of the National Cancer Institute (2008) 100:838.

⁵ Medicinal plants and cancer chemoprevention. Current Drug Metabolism (2008) 9:581.

⁶ Camptothecin, over four decades of surprising findings. Phytochemistry (2004) 65:2735.

⁷ How bark from the Pacific yew tree improved the treatment of breast cancer. Pharmaceutical Journal (2011) 287:369.

⁸ Data access for the 1,000 Plants (1KP) project. GigaScience (2014) 3:17.

⁹ Acetylation serves as a protective group in noscapine biosynthesis in opium poppy. Nature Chemical Biology (2015) 11:104.

¹⁰ Six enzymes from mayapple that complete the biosynthetic pathway to the etoposide aglycone. Science (2015) 349:1224.

¹¹ Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature (2019) 567:123.

¹² Complete biosynthesis of noscapine and halogenated alkaloids in yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (2018) 115:E3922.

¹³ Total biosynthesis of opiates by stepwise fermentation using engineered Escherichia coli. Nature Communications (2016) 7:10390.

¹⁴ Approaches and recent developments for the commercial production of semi-synthetic artemisinin. Frontiers in Plant Science (2018) eCollection.

¹⁵ Hầu hết các nước phát triển (trừ Hoa Kỳ) đều tham gia Công ước đa dạng sinh học và Nghị định thư Nagoya về thực hiện công ước này. https://treaties.un.org/pages/ViewDetails.aspx?src=TREATY&mtdsg_no=XXVII-8-b&chapter=27&lang=en

¹⁶ Nobel Hoá học 2018: ‘Cuộc cách mạng của tiến hoá’. Tuổi Trẻ (04/10/2018). https://tuoitre.vn/nobel-hoa-hoc-2018-cuoc-cach-mang-cua-tien-hoa-20181004113719389.htm