Sản xuất tá chất vaccine từ thực vật và bằng thực vật

Các nhà khoa học Anh và Mỹ vừa xác định toàn bộ tiến trình sinh tổng hợp QS-7 và QS-21, hai hợp chất saponin phổ biến từ thực vật trong sản phẩm vaccine, mở ra tương lai sản xuất các tá chất này trên quy mô lớn một cách bền vững bằng công nghệ sinh học.

Tá chất vaccine từ thực vật trong tự nhiên

Vaccine là công cụ hàng đầu trong phòng ngừa các loại bệnh tật. Một sản phẩm vaccine hoàn chỉnh bao gồm rất nhiều thành phần, trong đó kháng nguyên (yếu tố chính gây đáp ứng miễn dịch đặc hiệu ở cơ thể tiếp nhận vaccine) và công nghệ tạo ra kháng nguyên thường được chú ý nhất. Tuy ít được nhắc đến hơn, nhưng các tá chất trong vaccine cũng có vai trò thiết yếu trong việc kích thích đáp ứng miễn dịch đồng thời ổn định độ bền cho chế phẩm vaccine. Trong hơn 50 năm qua, nhiều loại tá chất vaccine đã được nghiên cứu phát triển như các chế phẩm từ vi sinh, các loại polymer, cytokine, và muối khoáng. 

Saponin về bản chất hóa học là những hợp chất triterpenoid với cấu trúc cơ bản gồm 27 đến 30 carbon xếp thành năm vòng và có gắn các nhóm đường và gốc acid béo (Hình 1 và 2). Ginsenoside ở cây nhân sâm và chất kháng khuẩn avenacin ở cây yến mạch là một vài ví dụ tiêu biểu. Cái tên “saponin”, nghĩa là “chất tạo xà-phòng”, phản ánh bản chất vừa ưa nước vừa kỵ nước, có tác dụng tạo bọt và tẩy rửa của các hợp chất này. Nồng độ các chất saponin cao trong vỏ cây xà-phòng (Quillaja saponaria) là lý do loại cây này được sử dụng làm chất tẩy rửa truyền thống của người dân Nam Mỹ, đồng thời là nguyên liệu cho các ngành công nghiệp xà-phòng, chất tạo bọt, và phụ gia thực phẩm. 

Giới nghiên cứu từ lâu đã phát hiện ra nhiều hợp chất saponin vừa có tác dụng tăng cường mức độ tạo khác thể và đáp ứng miễn dịch, lại vừa có độc tính thấp. Những ưu điểm này rõ rệt nhất là ở các saponin vỏ cây xà-phòng trong tự nhiên như hợp chất QS-7, QS-17, và QS-21 vốn đã có mặt trong các loại vaccine ngừa sốt rét (Mosquirix với QS-21), vaccine ngừa bệnh zona thần kinh (Shingrix với QS-21), và vaccine ngừa COVID-19 (Novavax với QS-7 và QS-17). Ngoài ra, QS-21 còn đang được sử dụng trong nghiên cứu phát triển các loại vaccine mới để ngừa ung thư buồng trứng, ngừa bệnh Alzheimer, và ngừa HIV/AIDS. Nhu cầu saponin cho các vaccine đã và sắp được phát triển là ngày càng lớn, nhưng nguồn cung chủ yếu các tá chất QS lại là chiết xuất từ vỏ cây xà-phòng và cũng chỉ đủ cho khoảng 6 triệu liều vaccine (số liệu năm 2011 và rất có thể là không thay đổi nhiều do năng lực thu hoạch hay trồng cây xà-phòng không tăng lên). Tổng hợp hóa học hoàn toàn không phải là lựa chọn thực tiễn vì cũng như nhiều hợp chất tự nhiên khác, các hợp chất QS có cấu trúc phức tạp với nhiều nhân lập thể cùng nhiều loại nhóm chức ở các vị trí rất chuyên biệt (Hình 1 và 2) khiến quy trình tổng hợp kéo dài, rất tốn kém, và sử dụng nhiều cách thức có hại có môi trường. Do đó, tìm hiểu cách thức cây xà-phòng tạo saponin trong tự nhiên là một lối tiếp cận nhiều tiềm năng hướng tới việc sản xuất bền vững các hợp chất này. 

Tạo tá chất vaccine bằng thực vật 

Đã có rất nhiều nghiên cứu về saponin ở thực vật, đặc biệt là các bước hình thành khung cấu trúc triterpenoid cơ bản từ con đường mevalonate trong tế bào. Khung cấu trúc này về cơ bản sẽ được chuyển hóa qua các bước oxide hóa, thêm nhóm đường và các nhóm acid béo (acyl) với kích thước và vị trí khác nhau để tạo ra các saponin chuyên biệt. Việc phân tích các hợp chất phức tạp có nguồn gốc terpenoid như các saponin cũng đòi hỏi kết hợp nhuần nhuyễn nhiều công cụ hóa phân tích khác nhau như sắc ký khí và sắc ký lỏng kết hợp phổ khối (GC-MS và LC-MS), cũng như phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Đối với các saponin QS ở cây xà-phòng, số lượng và kích thước các nhóm chức này là rất lớn. Do vậy việc tìm kiếm đầy đủ các enzyme tham gia sinh tổng hợp QS cũng như thứ tự trước sau của các phản ứng do chúng xúc tác là một thách thức không hề đơn giản.

Phải cho đến năm 2023 thì con đường sinh tổng hợp một trong số những tá chất saponin là QS-7 mới được xác định hoàn chỉnh nhờ công trình của một nhóm các nhà khoa học Anh và Mỹ, dẫn đầu là GS. Anne Osbourn ở Trung tâm John Innes (Norwich, Anh). Nhóm nghiên cứu này bắt đầu với việc phân tích bộ gene cây xà-phòng, rồi dùng công cụ sinh tin học như plantiSMASH để dự đoán sự tồn tại của các cụm gene gồm những gene gần nhau trên nhiễm sắc thể có khả năng mã hóa cho enzyme trong cùng con đường sinh tổng hợp QS-7. Các tác giả cũng dùng các phương pháp phân tích mức độ đồng biểu hiện để tìm gene sinh tổng hợp các chất QS (các gene có mức độ biểu hiện như nhau và tương quan với nồng độ chất nào thì thường mã hóa cho enzyme góp phần tạo ra chất đó). Những gene được coi đã có khả năng liên quan đến sinh tổng hợp QS-7 đều được đánh giá chức năng sinh hóa thông qua biểu hiện tạm thời trong cây thuốc lá Nicotiana benthamiana (một họ hàng gần của cây thuốc lá thông thường, Nicotiana tabacum). 

Kết quả là từ khoảng 30.000 gene trong bộ gene cây xà-phòng, các nhà khoa học đã tìm ra gene mã hóa cho chưa tới 20 enzyme có khả năng xúc tác 11 bước chuyển hóa tạo hợp chất QS-7 từ con đường sinh tổng hợp chung của các triterpenoid. Các enzyme này bao gồm một cyclase có chức năng hình thành khung cấu trúc cơ bản triterpenoid của saponin, các cytochrome P450 có chức năng oxide hóa khung cấu trúc triterpenoid, và các glycosyltransferase có chức năng gắn các nhóm đường với mức độ đặc hiệu cao. Sau khi xác định chức năng của các gen, nhóm nghiên cứu đã biểu hiện chung tất cả trong cây thuốc lá trong năm ngày và thu được 11 mg hợp chất QS-7 từ 410 cây thuốc lá với nồng độ gần 8 µg QS-7 trong mỗi gram lá khô (Hình 2).

Ngoài việc đưa ra được cách sản xuất tá chất vaccine QS không phụ thuộc vào khai thác cây xà-phòng tự nhiên, những khám phá trong công trình này cũng là một ví dụ thú vị về chuyển hóa hợp chất tự nhiên ở thực vật. Nổi bật là các bước gắn các nhóm đường vào khung cấu trúc saponin của QS. Mỗi bước glycosyl hóa thường do một enzyme nhóm glycosyltransferase xúc tác; tuy vậy, nhóm D-fucosyl ở vị trí carboxyl C28 của QS-7 lại cần thêm một enzyme nhóm oxide hóa-khử chuỗi ngắn (SDR) bổ trợ. Những enzyme này không những phối hợp với nhau trong con đường sinh tổng hợp QS-7 mà các gene mã hóa cho chúng cũng nằm gần nhau trên nhiễm sắc thể (như đề cập ở trên). 

Một năm sau đó, con đường sinh tổng hợp một tá chất saponin khác là QS-21 được xác định hoàn chỉnh cũng nhờ chính nhóm nghiên cứu của GS. Osbourn. Khác với QS-7, cấu trúc của QS-21 có ít nhóm đường hơn nhưng gốc acid béo gắn với nhóm đường ở vị trí carboxyl C28 lại dài hơn đáng kể (Hình 1). Nghiên cứu công bố năm 2023 đã làm sáng tỏ con đường sinh tổng hợp khung cấu trúc QS, nhưng các bước gắn gốc acid béo dài ở QS-21 lại rất phức tạp. Do đó, tuy QS-21 có hàm lượng tự nhiên trong vỏ cây xà-phòng cao hơn QS-7 nhưng con đường sinh tổng hợp QS-21 cần nhiều công sức tìm kiếm hơn. 

Cũng bằng phương pháp phân tích mức độ đồng biểu hiện cùng trực giác hóa học, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào các gene mã hóa cho các enzyme hình thành chuỗi acid béo gồm tới 18 carbon (carboxyl CoA ligase, keto-reductase, và polyketide synthase), gắn chuỗi acid béo vào nhóm đường trên caroboxyl C28 của cấu trúc khung QS (acyltransferase) và gắn thêm một nhóm đường nhỏ vào đuôi của chuỗi acid béo (glycosyltransferase). Điều đáng lưu ý là do độ bền rất kém của các chất trung gian trong con đường chuyển hóa này, các nhà khoa học không thể kiểm chứng từng bước một. Họ phải áp dụng phương pháp “shotgun”, tức kiểm tra hoạt tính cùng một lúc nhiều enzyme liên quan đến nhiều bước chuyển hóa khác nhau để xem cách kết hợp enzyme nào cho ra sản phẩm mong muốn. Từ 55 enzyme của cây xà-phòng thuộc các nhóm liệt kê ở trên, nhóm nghiên cứu đã đồng biểu hiện các tổ hợp enzyme khác nhau ở cây N. benthamiana và xác định được năm enzyme tham gia sinh tổng hợp những bước cuối cùng tạo ra hợp chất QS-21. Ngoài ra, khi biểu hiện thêm một enzyme làm tăng nguồn cung L-isoleucine, tiền chất của chuỗi acid béo, các tác giả cũng làm tăng lượng sản phẩm QS-21 ở cây thuốc lá lên nhiều lần, đạt nồng độ QS-21 có thể so sánh được với mức tự nhiên trong cây xà-phòng. 

Thực vật là hệ thống công nghệ sinh học giá trị 

Xây dựng con đường sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên trong cây thuốc lá Nicotiana benthamiana và các hệ thống vi sinh là một hướng đi nhiều triển vọng thay thế cho tổng hợp hóa học hay chiết xuất từ tự nhiên. Trong đó, cây N. benthamiana vốn có nguồn gốc từ Australia ngày càng được dùng phổ biến do đây là loại cây phát triển nhanh, sức sống tốt, với chi phí chăm sóc thấp. Hơn nữa, N. benthamiana có khả năng biểu hiện đồng thời được enzyme ngoại lai với số lượng nhiều và chủng loại rất khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các gene từ thực vật vốn thường khó được biểu hiện ở các hệ thống vi sinh do khác biệt lớn trong quá trình dịch mã từ mRNA thành protein giữa thực vật và vi sinh vật, hay biểu hiện nhưng enzyme không thực hiện được chức năng sinh hóa do tế bào vi sinh không có những bào quan phù hợp. 

Ngoài các hợp chất QS, cây thuốc lá N. benthamiana đã được dùng để sản xuất hợp chất strychnine từ cây mã tiền (Strychnos nux-vomica), các limonoid từ cây xoan (Melia azedarach), và gramine từ đại mạch (Hordeum vulgare) vốn đều là sản phẩm của những con đường sinh tổng hợp phức tạp. Nghiên cứu của GS. Anne Osbourn và đồng nghiệp chứng tỏ một lần nữa N. benthamiana là hệ thống phù hợp cho sản xuất hợp chất tự nhiên trên quy mô lớn, giúp chúng ta có cơ sở tin rằng vấn đề thiếu hụt nguồn cung tá chất để sản xuất vaccine có thể được giải quyết triệt để trong tương lai gần. 

Ngoài các tá chất vaccine, phòng thí nghiệm của GS. Osbourn còn đi đầu trong các nghiên cứu sinh tổng hợp các hợp chất tự nhiên có giá trị khác, đặc biệt là các loại terpenoid có hoạt tính sinh học cao ở nhiều loại thực vật và sinh vật biển. Bà cũng là người tiên phong trong nghiên cứu hiện tượng các gene trong cùng con đường chuyển hóa sắp xếp theo cụm trên nhiễm sắc thể của thực vật. Đây là đặc tính mà trước đây thường được xem là chỉ tồn tại ở sinh vật nhân sơ (prokaryotae) như vi khuẩn, còn ngày nay chính là công cụ quan trọng để tìm kiếm các con đường chuyển hóa ở thực vật (như ví dụ ứng dụng trong công trình khám phá sinh tổng hợp các hợp chất QS). Nhiều nghiên cứu của bà gắn liền với các hoạt động sản xuất, đặc biệt là qua đơn vị thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu PBL ở thành phố Norwich. □

——————————

* TS. ĐH Britich Columbia, Canada.

——-

Nguồn:

– “Elucidation of the pathway for biosynthesis of saponin adjuvants from the soapbark tree”. Science (2023). https://doi.org/10.1126/science.adf3727 

– “Complete biosynthesis of the potent vaccine adjuvant QS-21”. Nature Chemical Biology (2024). https://doi.org/10.1038/s41589-023-01538-5 

– “A booster for vaccines from plants”. Science (2023). https://doi.org/10.1126/science.adg8823 

– “Accessing natural vaccine adjuvants”. Nature Chemical Biology (2024). https://doi.org/10.1038/s41589-024-01585-6 

– “Leveraging synthetic biology and metabolic engineering to overcome obstacles in plant pathway elucidation”. Current Opinion in Plant Biology (2023). https://doi.org/10.1016/j.pbi.2022.102330   

– “Triterpenoid biosynthesis in plants”. Annual Review of Plant Biology (2014). https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050312-120229  

– “Gene clustering in plant specialized metabolism”. Current Opinion in Biotechnology (2013). https://doi.org/10.1016/j.copbio.2013.10.009  

– “Trung tâm John Innes: Khám phá sự đa dạng của tự nhiên”. Tia Sáng (2018). https://tiasang.com.vn/quan-ly-khoa-hoc/trung-tam-john-innes-kham-pha-su-da-dang-cua-tu-nhien-12825/  

Bài đăng Tia Sáng số 8/2024