Sinh tổng hợp cung cấp phương pháp mới để sản xuất kháng sinh

Các nhà nghiên cứu từ Trường Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) đã tái thiết kế lại nấm men bánh mì (Saccharomyces cerevisiae) để sản xuất penicillin, trong các thử nghiệm, mang đặc tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn Streptococcus.

Các tác giả của nghiên cứu Sinh tổng hợp kháng sinh Nonribosomal Peptide (peptide sinh tổng hợp ngoài ribosome) Penicillin trên nấm men bánh mì (Biosynthesis of the Antibiotic Nonribosomal Peptide Penicillin in Baker's Yeast), đã được công bố trên tạp chí Nature Communications cho biết phương pháp mới của họ đã chứng tỏ được tính hiệu quả của việc sử dụng loại sinh tổng hợp này như một phương pháp để tìm ra các loại kháng sinh mới. Điều này có thể mở ra khả năng sử dụng các tế bào nấm men được tái thiết kế để phát triển các loại kháng sinh và thuốc kháng viên mới từ các nonribosomal peptide như penicillin.

Các nonribosomal peptide thường được tạo ra bởi vi khuẩn và nấm, chúng hình thành nên cơ sở cho hầu hết kháng sinh ngày nay. Các côg ty ưdược phẩm đã phải thử nghiệm trong thời gian dài với các nonribosomal peptide để tạo ra các kháng sinh thông dụng. Tuy nhiên, sự gia tăng kháng kháng sinh cho thấy sự cần thiết của việc sử dụng các công nghệ thiết kế gen nhằm tìm ra một loại kháng sinh mới từ vi khuẩn và nấm.

Mặc dù vậy, thiết kế gen các loại vi khuẩn và nấm ngoại lai có tính kháng khuẩn là một thách thức bởi các nhà khoa học không có các công cụ phù hợp và chúng cũng rất khó để sinh trưởng trong môi trường phòng thí nghiệm, đòi hỏi một điều kiện đặc biệt.

Các tế bào nấm men bánh mì mặt khác lại rất dễ dàng để thiết kế gen. Các nhà khoa học có thể đơn giản chèn DNA từ vi khuẩn và nấm vào nấm men để tiến hành các thí nghiệm, cung cấp một cơ sở khả thi cho việc nghiên cứu sản xuất kháng sinh. Sự gia tăng của các phương pháp sinh tổng hợp bằng nấm men được dự kiến sẽ cho phép các nhà nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm nhiều gen tái tổ hợp mới có thể tạo ra một loạt các loại kháng sinh mới hoàn toàn.

Trong khi cách tiếp cận này cho thấy sự hứa hẹn, đến nay các nhà nghiên cứu đã sản xuất được một lượng nhỏ kháng sinh nonribosomal peptide penicillin thì nhiều nghiên cứu hơn vẫn cần được thực hiện để xem xét liệu phương pháp này có thể thích hợp để tìm ra các hợp chất khác và để sản xuất lên tới số lượng khả thi về mặt thương mại được hay không.

“Con người đã từng thử nghiệm với nấm men trong hàng ngàn năm. Từ sản xuất bia đến làm nở bánh mì, và gần đây hơn đã tạo ra các hợp chất như thuốc chống sốt rét, nấm men là cơ sở vi mô đằng sau của rất nhiều quá trình”, Tom Ellis, PhD từ Trung tâm Sinh tổng hợp tại Đại học Hoàng gia London đã giải thích. “Sự gia tăng của các loại siêu vi khuẩn kháng thuốc đã mang tới sự khẩn cấp của việc tìm kiếm các kháng sinh mới. Các thí nghiệm của chúng tôi cho thấy nấm men có thể được thiết kế để tạo ra một loại kháng sinh quan trọng. Điều này mở ra khả năng sử dụng nấm men để khám phá phần kho báu lớn chưa được khai thác của các hợp chất trong họ nonribosomal peptide nhằm phát triển một thế hệ thuốc kháng sinh và chống viêm mới”.

Trước đây, các nhà khoa học đã chứng minh được họ có thể thiết kế lại một loại nấm men khác có thể tạo ra penicillin. Tuy nhiên, các loại nấm men này không được hiểu rõ và có thể dễ dàng thực hiện các thao tác di truyền như đối với nấm men bánh mì, khiến chúng không phù hợp cho việc phát triển kháng sinh mới bằng phương pháp sinh tổng hợp.

Trong các thí nghiệm này của họ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các gen từ nấm sợi (Penicillium chrysogenum), từ đó penicillin được tạo ra một cách tự nhiên. Những gen này khiến cho các tế bào nấm tạo ra penicillin thông qua một quá trình phản ứng hóa sinh hai bước. Đầu tiên các tế bào tạo ra các phân tử khung bằng các phản ứng phức tạp, sau đó các phân tử này được biến đổi bởi các enzyme nấm khác để hoạt hóa đặc tính kháng sinh của chúng.

Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra họ không cần chiết xuất các phân tử penicillin từ bên trong tế bào nâm men. Thay vào đó, tế bào đã tự giải phóng các phân tử trực tiếp ra dung dịch môi trường nuôi. Điều này có nghĩa là nhóm nghiên cứu đơn giản chỉ phải thêm dịch nuôi vào một đĩa petri chưa vi khuẩn Streptococcus để quan sát hiệu quả của nó. Ali Awan, PhD, đồng tác giả tại Khoa Kỹ thuật Sinh học, Đại học Hoàng gia London, đã lưu ý rằng “Nấm đã có hàng triệu năm để phát triển khả năng sản xuất penicillin diệt khuẩn. Các nhà khoa học chúng tôi chỉ mới làm việc với nấm men trong lĩnh vực này trong vài năm, nhưng chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể tiếp tục biến đổi phương pháp này để tạo ra các loại thuốc trong tương lai. Chúng tôi tin rằng nấm men có thể là những nhà máy tí hon mới trong tương lai, giúp chúng ta thử nghiệm với các hợp chất mới thuộc họ nonribosomal peptide để từ đó phát triển các loại thuốc chống lại sự kháng kháng sinh”.

Tài liệu tham khảo:

"Synthetic Biology Provides New Approach to Antibiotic Production", genengnews, May 4, 2017.