Sản xuất thuốc chống ung thư bằng nấm men

Các nhà khoa học đã sản xuất thành công thuốc chống ung thư vinblastine bằng nấm men, mở ra khả năng cung cấp hợp chất này một cách thuận tiện, nhanh chóng trong tương lai gần.

Cây dừa cạn Catharanthus roseus.

Chủ động nguồn cung dược chất luôn là vấn đề hàng đầu

Rất nhiều dược chất là những phân tử phức tạp, cần phải trải qua rất nhiều phản ứng hóa học để tổng hợp nên. Các phản ứng hóa học này có độ đặc hiệu không cao hoặc cần quá nhiều bước nên đôi khi tác lập nó trong phòng thí nghiệm là bất khả thi. Một cách làm khác là thu trực tiếp dược chất từ các cây thuốc. Song cây cỏ trong tự nhiên chỉ tạo một lượng dược chất nhỏ lại lẫn trong hỗn hợp nhiều chất khác, do đó cách này phải cần qua nhiều bước tách chiết và tốn nhiều dung môi hữu cơ vốn được sản xuất từ tài nguyên dầu mỏ.

Để giải quyết vấn đề này, nhiều nhà khoa học đã xác định các gene giúp cây thuốc tạo các dược chất, rồi chuyển các gene đó vào những loại sinh vật dễ nuôi trồng như vi khuẩn hay nấm men để sản xuất các loại thuốc này trên quy mô lớn. So với cây cỏ, vi sinh vật sinh sôi nhanh hơn rất nhiều trong điều kiện nuôi cấy, lại không tốn nhiều diện tích hay không gian. Ngoài ra, vi khuẩn và nấm men nhìn chung là đối tượng đơn giản hơn cho các nhà khoa học vì chúng là sinh vật đơn bào với bộ gene nhỏ gọn hơn thực vật. Kỹ thuật di truyền hiện đại dùng nấm men để tạo các hợp chất tự nhiên đã được phát triển từ đầu thập niên 1990. Cách tiếp cận này vừa hiệu quả, lại giảm phụ thuộc vào việc sử dụng tài nguyên dầu hỏa cũng như nguồn cung cấp cây dược liệu, trong đó có những cây thuộc danh mục cấm trồng hoặc cấm khai thác. Nhiều nhóm nghiên cứu đã đạt được thành tựu nổi bật trong khoảng 10 năm trở lại đây như sản xuất được tiền chất thuốc chữa sốt rét artemisinin có nguồn gốc từ cây thanh hao hoa vàng (Artemisia annua), các loại thuốc giảm đau có nguồn gốc từ cây thuốc phiện (Papaver somniferum), và các loại thuốc có nguồn gốc từ cây cần sa (Cannabis sativa).

Vinblastine và dẫn xuất của nó là vincristine đều là hợp chất tự nhiên của cây dừa cạn (Catharanthus roseus), đã được dùng trong điều trị nhiều loại ung thư (ung thư máu, phổi, bàng quang, não, tinh hoàn, v.v…) những năm 1960. Vinblastine cấu thành từ hai hợp chất là vindoline và catharanthine. Do cấu trúc phức tạp, người ta không thể tổng hợp được các chất này hoàn toàn bằng phương pháp hóa học. Trong tách chiết từ dừa cạn, khoảng 500 kg lá khô  mới cho được vài gram tiền chất vindoline và catharanthine, còn lượng vinblastine lại rất ít. Người ta tạo ra thuốc vinblastine chủ yếu bằng cách thực hiện phản ứng hóa học đơn giản gắn vindoline và catharanthine với nhau. Thiếu hụt hai tiền chất này sẽ làm gián đoạn nguồn cung cấp vinblastine như đã diễn ra trong những năm 2019–2021 ở Mỹ. Đây là một nguy cơ nghiêm trọng vì tình trạng biến đổi khí hậu, phá hủy môi trường sống của cây thuốc, hay các đại dịch đều có thể đe dọa chuỗi cung ứng dược liệu toàn cầu.

Tổng hợp vinblastine bằng nấm men

Vì tầm quan trọng của vinblastine, hai nhóm nghiên cứu của GS. Jay D. Keasling (Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ) và GS. Michael K. Jensen (Đại học Kỹ thuật Đan Mạch) đã hợp tác nghiên cứu tạo ra nấm men có khả năng tạo các tiền chất của loại thuốc quý này trong điều kiện nuôi cấy1.

Sau khi thực hiện 56 biến đổi di truyền, họ đã thu được một chủng nấm men tổng hợp được vindoline (> 10 μg/L) và catharanthine (> 90 μg/L). Bằng một phản ứng nối vindoline với catharanthine dùng xúc tác Fe(III) đã được biết rõ từ trước, các tác giả đã thu được sản phẩm cuối cùng là vinblastine.

Kể từ khi tác dụng chữa ung thư của vinblastine được biết tới, giới khoa học đã tốn nhiều công sức tìm hiểu cách thức cây dừa cạn tạo nên hợp chất này. Đến năm 2018, những mảnh ghép cuối cùng trong toàn bộ chuỗi sinh tổng hợp 31 bước cuối cùng đã được xác định2. Tuy các phản ứng này đã được biết rõ nhưng chúng rất phức tạp. Do đó việc đưa các gen có liên quan vào một hệ thống tế bào khác như nấm men rồi đảm bảo các enzyme do chúng mã hóa được biểu hiện đúng chức năng không phải là việc đơn giản.

Để giải quyết vấn đề này, hai nhóm nghiên cứu của GS. Keasling và GS. Jensen chia toàn bộ quy trình sinh tổng hợp vinblastine thành bốn phần. Ở phần đầu tiên, các nhà khoa học tập trung tận dụng các gene có sẵn trong nấm men lẫn chuyển các gene từ thực vật để tạo các tiền chất cơ bản. Họ tăng cường sự biểu hiện của hai con đường sinh tổng hợp geranyl-pyrophosphate và tryptophan, đồng thời ức chế các gene mã hóa cho các nhánh trao đổi chất làm tiêu hao hai tiền chất này. Ở phần thứ hai, họ chuyển vào nấm men các gene từ thực vật mã hóa cho các enzyme sử dụng hai tiền chất này để tạo ra chất trung gian strictosidine. Trong phần thứ ba và thứ tư, các nhóm nghiên cứu biểu hiện hai con đường sinh tổng hợp hai chất catharanthine và vindoline từ thực vật trong nấm men.

Ngoài thay đổi sự biểu hiện của 10 gene có sẵn ở nấm men, hai nhóm nghiên cứu đã biểu hiện 34 gene từ thực vật. Không chỉ các gene của cây dừa cạn, các tác giả còn sử dụng các gene tương đương nhưng có mức biểu hiện cao hơn hoặc mã hóa cho enzyme có hoạt tính mạnh hơn từ cây thông bạc lớn (Abies grandis), dừa cạn nhỏ châu Âu (Vinca minor), và bạc hà mèo (Nepeta cataria). Sau khi thực hiện 56 biến đổi di truyền, họ đã thu được một chủng nấm men tổng hợp được vindoline (>10μg/L) và catharanthine (>90μg/L). Bằng một phản ứng nối vindoline với catharanthine dùng xúc tác Fe(III) đã được biết rõ từ trước, các tác giả đã thu được sản phẩm cuối cùng là vinblastine.

Hình: Biến đổi di truyền nấm men (Saccharomyces cerevisiae) để biểu hiện 30 bước sinh tổng hợp thuốc chữa ung thư vinblastine từ cây dừa cạn (Catharanthus roseus). Bốn hợp phần lớn của con đường này trong nấm men gồm: sinh tổng hợp tiền chất đơn giản (không đóng khung), sinh tổng hợp tiền chất trung tâm strictosidine (khung màu xám), sinh tổng hợp catharanthine (khung màu vàng), và sinh tổng hợp vindoline (khung màu cam). Vinblastine được tổng hợp bằng hoá học ở bước cuối nhờ vindoline và catharanthine từ nấm men (Nguồn: Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05157-3).

Tương lai sản xuất dược chất bằng sinh học tổng hợp

Việc sản xuất thành công vindoline và catharanthine bằng nấm men là một thành tựu rất đáng kể do số lượng và mức độ phức tạp của các biến đổi di truyền. Đây cũng là một công trình có ý nghĩa quan trọng đối với việc chủ động nguồn cung ứng dược chất, không phụ thuộc vào khai thác từ tự nhiên.

Ngoài các thành phẩm cuối là vindoline, catharanthine, và vinblastine, công trình này còn có thể ứng dụng để tạo các chất trung gian. Quan trọng nhất là strictosidine, tiền chất trung tâm của hàng loạt các chất thuộc nhóm monoterpenoid indole alkaloid trong đó có vinblastine, thuốc chống sốt rét quinine, hay thuốc chữa cao huyết áp reserpine. Ví dụ nổi bật cho monoterpenoid indole alkaloid là camptothecin và các dẫn xuất irinotecan và topotecan, đây đều là các thuốc chống ung thư được sử dụng phổ biến. Tuy đã có một số tiến triển trong nghiên cứu trao đổi chất camptothecin liên quan đến tạo dược chất trong những năm gần đây3, song ta vẫn chưa rõ camptothecin được tạo ra như thế nào trong thực vật như hỷ thụ (Camptotheca acuminata). Một trong những khó khăn lớn nhất là thiếu các chất trung gian để thử hoạt tính enzyme. Những chủng nấm men tạo được strictosidine hay những trung gian tương đương ở nồng độ cao sẽ giúp ích rất lớn cho những nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Công trình này không thể nào thu được kết quả như trên hay thậm chí khởi đầu nếu không có kiến thức khoa học cơ bản về sinh hóa, trao đổi chất, và sinh học phân tử liên quan đến các hợp chất tự nhiên, cây thuốc và nấm men mà rất nhiều người làm khoa học đã tích lũy trong nhiều thập kỷ qua.

Kết quả mới nhất từ hai nhóm của GS. Keasling và GS. Jensen cũng cho thấy tuy năng lực ứng dụng của sinh học tổng hợp là rất lớn, nhưng vai trò của hóa học tổng hợp vẫn hết sức quan trọng. Dù tốn khá nhiều công sức, song các nhà khoa học vẫn chưa tiến hành được bước nối vindoline và catharanthine để tạo vinblastine một cách hiệu quả bằng enzyme. Việc bổ sung, kết hợp hóa học tổng hợp cho những trường hợp như thế này chẳng những giúp thu được những dược chất như mong muốn, mà còn có thể cho ra những chất có hoạt tính tiềm năng mạnh hơn những chất tự nhiên4.

Phòng thí nghiệm của GS. Jay D. Keasling tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Mỹ.

Một nhân tố quan trọng cho sự thành công của công trình này là hợp tác đa ngành với sự tham gia của rất nhiều nhóm nghiên cứu. Ngoài hai nhóm của GS. Keasling và GS. Jensen, công trình này còn có đóng góp từ nhóm hóa sinh của GS. Sarah E. O’Connor (Viện sinh thái hóa học Max-Planck, Đức1) và nhóm công nghệ sinh học thực vật của GS. Vincent Courdavault (Đại học Tours, Pháp). Và cuối cùng, công trình này không thể nào thu được kết quả như trên hay thậm chí khởi đầu nếu không có kiến thức khoa học cơ bản về sinh hóa, trao đổi chất, và sinh học phân tử liên quan đến các hợp chất tự nhiên, cây thuốc và nấm men mà rất nhiều người làm khoa học đã tích lũy trong nhiều thập kỷ qua.□

—-

Tham khảo:

1 “Hệ thống vi sinh vật sản xuất thuốc chống ung thư vinbastine” (A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine). Nature (tháng 8/2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05157-3

2 “Con đường sinh tổng hợp chất chống ung thư vinblastine từ cây dừa cạn”. Tia Sáng (tháng 6/2018).

http://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/con-duong-sinh-tong-hop-chat-chong-ung-thu-vinblastine-tu-cay-dua-can-12455/

3 “Các nhà nghiên cứu Đại học British Columbia, Okanagan dùng giải pháp xanh để tìm các hợp chất chống ung thư” (UBCO researchers go green looking for anti-cancer compounds). Đại học British Columbia (tháng 2/2022).

https://news.ok.ubc.ca/2022/02/14/ubco-researchers-go-green-looking-for-anti-cancer-compounds/

4 “Tổng hợp hóa-enzyme các hợp chất tự nhiên bằng các xúc tác sinh học từ thực vật” (Chemoenzymatic synthesis of natural products using plant biocatalysts). Current Opinion in Green & Sustainable Chemistry (tháng 6/2022).

https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2022.100627

Tác giả