TS. Đặng Thị Thu Thủy: Khám phá bí mật của cây cỏ
“Tại sao các loại cây chỉ sử dụng nước, ánh sáng và không khí mà có thể tạo ra những hợp chất có tiềm năng điều trị được các bệnh phức tạp như ung thư?”, câu hỏi này đã đưa TS. Đặng Thị Thu Thủy (ĐH British Columbia) đến với con đường nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp các chất trong cây cỏ, nơi chị khám phá ra những bí ẩn của thế giới thực vật.
Tìm những mảnh ghép nhỏ của tự nhiên
“Tự nhiên, đặc biệt là cây cỏ có khả năng tạo ra rất nhiều loại thuốc và các hợp chất hoá học có giá trị rất lớn. Nếu coi những phân tử này là những ngôi nhà, thì cây cỏ có đủ loại men sinh học (enzyme) để đắp nền, dựng cột kèo, lợp mái, xây vách, rồi bày vẽ ngoại thất nội thất đầy đủ. Việc tôi làm là tìm hiểu xem những enzyme đó là gì, và cây cỏ dùng chúng theo thứ tự nào, rồi từ đó mình có thể tự ghép khung nhà, điều chỉnh cấu trúc và “trang trí” theo cách cây cỏ làm hay thậm chí là theo ý mình”, TS. Đặng Thị Thu Thủy giải thích về quá trình sinh tổng hợp của các hoạt chất trong thực vật. Đây là những hiểu biết cơ bản để chị và đồng nghiệp của mình có thể lặp lại quá trình tạo ra các hoạt chất tự nhiên mong muốn trong phòng thí nghiệm mà không cần phải khai thác quá nhiều tài nguyên thực vật quý hiếm hay sử dụng đến hoá chất độc hại, cũng như có thể tiến tới tạo ra những hợp chất gần giống nhưng hoạt tính còn mạnh hơn.
Càng tìm hiểu sâu về quá trình này, chị càng vỡ lẽ ra những vấn đề mà những người ngoài cuộc không thể giải đáp được ngọn ngành. “Một ví dụ tiêu biểu là hợp chất vinblastine chữa nhiều loại ung thư trong đó có ung thư phổi và ung thư buồng trứng. Hợp chất này có trong cây dừa cạn (Catharanthus roseus), vốn là loại cây dễ trồng, có mặt khắp các châu lục và cũng khá phổ biến ở Việt Nam. Nhưng giá của vinblastine vô cùng đắt đỏ vì tách chiết khoảng 1 tấn dừa cạn mới được khoảng chừng 1 gram thuốc”, chị nói. “Khi có cơ hội tham gia nghiên cứu cách dừa cạn tạo vinblastine thì tôi mới biết cây dừa cạn tiến hành 31 bước tổng hợp hoá học từ những tiền chất đơn giản mà cây nào cũng có mới ra được hợp chất vinblastine mà chỉ có một mình loài dừa cạn mới có. Thông thường thì mỗi bước chuyển hoá như vậy là do một gene phụ trách. Cây dừa cạn có tới hơn 30.000 gene, và những nhà khoa học trong lĩnh vực của tôi phải mất hàng chục năm mới tìm hết 31 cây ‘kim’ dưới ‘đáy bể’ 30.000 gene này.” Hiện tại, những gì chị đang tìm tòi đều xoay quanh những bí ẩn của các hợp chất có trong cây cỏ theo cách như vậy.
TS. Đặng Thị Thu Thủy trong vườn ươm thực vật ở UBC. Nguồn: UBC
Trong mường tượng của mình, TS. Đặng Thị Thu Thủy nhận thấy việc tìm hiểu về quá trình sinh tổng hợp của các hợp chất tự nhiên là một hành trình bất tận mà mỗi khám phá lại mở ra một nhánh đi mới mẻ và thú vị. Trên chặng đường này, điểm xuất phát của chị cũng đến một cách khá bất ngờ. Chị vốn quen thuốc với văn hóa dùng cây cỏ để chữa bệnh từ nhỏ, và từng tiếp xúc với việc nuôi cấy mô các loại cây thuốc từ khi còn là sinh viên. Nhưng phải đến khi đang học thạc sĩ ở Đại học Calgary (tỉnh Alberta, Canada), thấy phòng thí nghiệm bên cạnh nghiên cứu về quá trình sinh tổng hợp các hợp chất trong cây cỏ, chị Thuỷ mới “nhận ra ngoài những thứ rất cơ bản mình đã học về sinh lý thực vật, lại có những ngành mới như vậy. Vì thế, tôi quyết định thử sức theo hướng tìm hiểu những gene/enzyme mới tham gia vào những con đường sinh tổng hợp này”, chị kể.
Đây là lý do mà chị thực hiện đề tài nghiên cứu bậc tiến sĩ với GS. Peter Facchini, một chuyên gia hàng đầu về sinh hoá cây thuốc phiện, bằng học bổng Quỹ tài năng tỉnh Alberta (Alberta Ingenuity Fund) và hai học bổng tiến sĩ của Đại học Calgary. Sau thời gian học tập ở Canada, chị giành học bổng sau tiến sĩ của Tổ chức sinh học phân tử Châu Âu (EMBO) để gia nhập phòng thí nghiệm tại Trung tâm John Innes (Anh) của GS. Sarah O’Conor, một nhà khoa học xuất sắc hơn 10 năm theo đuổi về quá trình sinh tổng hợp vinblastine trong cây dừa cạn. Dưới sự dẫn dắt của hai nhà khoa học này và nhiều người thầy khác, chị bắt đầu vỡ ra những điểm hết sức căn bản để qua đó, hình thành nền tảng hiểu biết của một nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. Ở đó, mỗi hợp chất là kết quả của một chuỗi phản ứng chuyển hóa với sự tham gia của các enzyme được mã hóa bởi nhiều gene khác nhau trong thực vật. Chị và cộng sự phải nghiên cứu sự tích lũy các hợp chất trong các bộ phận khác nhau của cây, sau đó quan sát biến đổi của các hợp chất trung gian để suy luận ra loại phản ứng và loại enzyme tương ứng. Đối chiếu những suy luận này với mức độ biểu hiện gene và thử nghiệm chức năng của các gene đó (các enzyme do chúng mã hóa) sẽ làm sáng tỏ dần những mảnh ghép của toàn bộ mạng lưới chuyển hoá bên trong thực vật.
Trên con đường này, với sự hỗ trợ của những công nghệ giải trình tự gene thế hệ mới, các mô hình tính toán và công cụ tin sinh học đã góp phần rút ngắn thời gian nghiên cứu. Nhưng quả thật, sinh giới mang nhiều bí ẩn mà các nhà khoa học, dù được trang bị rất nhiều “vũ khí” nhưng cũng khó lĩnh hội trong một sớm một chiều. “Biến đổi hóa học rất phức tạp. Nhiều khi mình tiên lượng vai trò của một loại enzyme trong quá trình trao đổi chất nhưng thực tế thì cây lại dùng một loại enzyme khác. Những cái đó rất bất ngờ mà mình không biết trước được và chỉ có làm thực nghiệm thì mình mới biết; những lúc đó mình lại càng thấy thiên nhiên thật đa dạng với những chiến lược tiến hoá để thích nghi về mặt hoá học thật kỳ thú”, chị nói.
Mặc dù không dễ để lý giải những quá trình vô cùng “khuất nẻo” với mắt thường trong cây cỏ nhưng việc tìm ra chúng bao giờ cũng mang một ý nghĩa hết sức đặc biệt. Ví dụ, từ cả trăm năm trước, chất noscapine trong cây thuốc phiện (Papaver somniferum) đã được biết là có khả năng chống ung thư, song không ai rõ chất đó được tạo ra như thế nào. TS. Đặng Thị Thu Thủy và cộng sự mất năm năm để xác định được “cả một con đường chuyển hoá từ những tiền chất đơn giản cho đến một cấu trúc rất phức tạp của noscapine gồm 11 bước”. Kết quả thu được với chị không chỉ là công bố khoa học hay thoả mãn sự tò mò của bản thân mà còn ở việc nhìn thấy ý nghĩa thực tiễn của nó. “Một nhóm nghiên cứu ở Đại học Stanford lấy những enzyme mà chúng tôi phát hiện ra, gộp lại và bỏ vào trong nấm men để tạo được chất noscapine mà không cần phải trồng cây thuốc phiện” – khởi điểm của một quá trình tạo dược chất ít tốn kém và giá thành phải chăng cho người bệnh.
Theo đuổi con đường riêng
Kinh nghiệm và kiến thức học hỏi được từ những người thầy cũng như các cơ sở nghiên cứu từ Việt Nam đến Canada và Anh đã giúp TS. Đặng Thị Thu Thủy mở ra con đường riêng: thành lập Phòng thí nghiệm nghiên cứu các hợp chất hoạt tính sinh học thực vật (Plant Bioactive Compounds Research Laboratory) tại Đại học British Columbia ở thành phố Kelowna, Canada. Đây là nơi chị và cộng sự “tích hợp hóa sinh, hóa học, tin sinh học và di truyền học phân tử để giải thích và tìm ra quá trình sinh tổng hợp các hợp chất có giá trị trong các loại thảo dược”.
Ở nơi này, chị tiếp tục theo đuổi nhóm chất alkaloid, những hợp chất hữu cơ có chứa nhân dị vòng mang nitrogen, thường gặp trong thực vật và thường có tác dụng dược lý mà noscapine, vinblastine hay morphine là những ví dụ tiêu biểu. “Nhóm alkaloid có nhiều điểm hay lắm, chất độc cũng có, chất làm cho mình hưng phấn vui vẻ cũng có và đặc biệt là khả năng chữa bệnh cũng rất tốt. Nhiều lúc tất cả những tính chất này đều có trong một hợp chất alkaloid, đây chính là điểm khiến alkaloid đáng được xem là đại diện cho mọi loại thuốc: lợi hay hại là do cách dùng và liều dùng”, chị nói.
Cái hay cũng ẩn chứa thách thức. Tuy là đây là hướng nghiên cứu khá mới với nhiều cơ hội hấp dẫn, nhưng mức độ cạnh tranh cũng ngày càng cao. Với một phòng thí nghiệm mới thành lập, sức ép của việc phải “chạy đua” với những nhóm có nhiều kinh nghiệm với nhiều nhân tài và trang thiết bị đầy đủ là rất lớn. “Đơn giản là những hợp chất mình thấy hay thì các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới cũng thấy hay”, chị cho biết.
Nghĩ đến đường xa, chị từng bước gây dựng năng lực cho phòng thí nghiệm của mình, “cố gắng đem về nhiều người có chuyên môn khác nhau để khi tập hợp lại thì sẽ giải quyết vấn đề nhanh hơn và làm được những bài toán lớn hơn”. Hơn nữa, sự đa dạng chuyên ngành còn giúp mọi người trong nhóm có cơ hội học hỏi lẫn nhau và gợi mở nhiều hướng mới trong quá trình nghiên cứu. Chẳng hạn, khi tìm kiếm các enzyme thực vật, “trước đây mình chỉ nhân dòng, biểu hiện protein rồi thử thôi, còn sau này mình có thể dùng enzyme đó làm đột biến, làm các cấu trúc mới của chất, tìm hiểu cơ chế phản ứng như thế nào, tại sao chỉ có enzyme đó trong cây mới tạo ra sản phẩm như vậy,…”, chị chia sẻ.
Ở vị trí “đứng mũi chịu sào”, TS. Đặng Thị Thu Thủy còn phải đối mặt với nhiều thách thức mới. “Vai trò hoàn toàn khác, và trách nhiệm nhiều hơn”, chị cho biết. “Trước kia khi mình cần gì trong quá trình nghiên cứu, chỉ việc lên danh sách là sẽ có người mua về. Nhưng khi xây dựng nhóm nghiên cứu riêng, mình phải tính đến việc quản lý đề tài, xin kinh phí, làm sổ sách, tính toán chỗ này trả tiền cho sinh viên, chỗ này cho vườn ươm, chỗ này mua hóa chất thiết bị,… tất cả những cái đó mình phải tự học dần. Và đôi lúc mình cũng hiểu ra những cái khó của những người làm công tác hành chính, tài chính cho đơn vị, hay quản trị nhân sự mà trước đây mình chưa hề phải bận tâm đến”.
Tập hợp dần những năng lực như vậy, chị đã tìm một hướng đi riêng, tạo ra đặc trưng và thế mạnh của mình – hiện giờ là các enzyme oxide hoá các hợp chất tự nhiên, điển hình là các cytochrome P450 monooxygenase (thường gọi tắt là “P450”). Các enzyme này không chỉ đơn giản là thêm oxygen ở dạng hydroxyl, aldehyde, and acid carboxylic vào cấu trúc, mà có thể thay đổi căn bản cấu trúc như tạo cấu trúc vòng hay mở cấu trúc vòng sẵn có. Tất cả những biến đổi này làm thay đổi rất đáng kể cấu trúc và hoạt tính. TS. Thuỷ giải thích thêm: “Ngay cả chỉ cần thêm oxygen cũng đã có ý nghĩa lớn. Quay lại hình tượng ví von hợp chất là ngôi nhà, thì những nhóm chức có oxygen có thể xem như những cái dây cáp, móc sắt, bậc thang mà mình có thể thêm vào nhiều kiểu trang trí tuỳ ý. Trong khoảng 10 enzyme thuộc nhóm P450 tôi đã tìm ra, mỗi cái đều có những đặc tính thú vị khác nhau”.
Sau hơn 2 năm hoạt động, nhóm nghiên cứu của TS. Đặng Thị Thu Thủy đã có những kết quả mới về con đường chuyển hoá chất chống ung thư từ hỷ thụ (Camptotheca acuminata). Hỷ thụ là loại cây thân gỗ được các nước Đông Á dùng làm thuốc từ lâu. Hoá dược hiện đại chứng minh hợp chất camptothecin từ hỷ thụ có tác dụng chữa nhiều loại ung thư như ung thư phổi, ung thư buồng trứng, và ung thư đại trực tràng. Tuy vậy, camptothecin là loại chất khó hoà tan trong nước lại có nhiều tác dụng phụ. Từ trước đến nay, camptothecin phải được oxide hoá và trải qua nhiều biến đổi bằng những phương pháp hoá học phức tạp lại gây hại cho môi trường mới tạo ra được các loại thuốc phù hợp cho điều trị. Nhóm nghiên cứu của TS. Thuỷ đã tìm ra các P450 có khả năng oxide hoá campothecin chỉ bằng nuôi cấy nấm men. Kết quả này không chỉ giúp họ có thêm công bố trên tạp chí quốc tế mà còn đăng ký được bằng sáng chế. “Quy trình đăng ký sáng chế được Đại học British Columbia hỗ trợ và đã hoàn thành giai đoạn đầu, họ sẽ liên hệ với những công ty dược hoặc những người quan tâm đến quy trình sản xuất các chất ung thư từ camptothecin, chúng tôi rất hy vọng sẽ tìm được những người có cùng mối quan tâm với mình”, chị cho biết.
Liệu đã đến lúc nghĩ về việc thương mại hóa công nghệ, hoặc mở rộng sang nghiên cứu mới, chẳng hạn về cây cỏ Việt Nam? “Đăng ký sáng kế là bước đi sơ khởi trên con đường thương mại hóa, hiện nay chúng tôi vẫn đang tìm cách tối ưu hóa quy trình và tiếp tục tìm hiểu về những con đường trao đổi chất mình quan tâm. Bây giờ phòng thí nghiệm mới bắt đầu, giống như mới tập đi nên cần đi cho vững trước khi đi nhanh”. TS. Thuỷ bày tỏ. “Cây cỏ tự nhiên là những thầy thuốc đại tài, và nước mình có rất nhiều ‘thầy thuốc’ như vậy. Tôi có theo dõi và có dịp trò chuyện với những người làm nghiên cứu thảo dược ở Trường ĐH dược Hà Nội, Trường ĐH khoa học tự nhiên thuộc ĐHQG TP Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu khoa học Tây Nguyên,… và được biết có rất nhiều kết quả nghiên cứu quan trọng. Tôi rất mong được góp một phần nào đó làm giàu thêm kiến thức và ứng dụng từ cây cỏ Việt Nam theo góc độ của mình”.
