Thứ Ba, 24/10/2023, 00:00 (GMT+7)
Các sản phẩm protein tái tổ hợp được sử dụng làm dược phẩm như G-CSF, Erythropoietin, Interferon, vaccine… giúp phòng ngừa, chẩn đoán và điều trị các bệnh tiểu đường, ung thư, thiếu máu… Ngoài ra, các enzyme tái tổ hợp như protease, amylase, lipase, cellulase, pullulanase và pectinase…được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và chế biến thực phẩm (bia, rượu, nước chấm, nước giải khát, thịt, cá và các nông lâm thủy hải sản khác…), giúp đảm bảo độ ổn định của chất lượng sản phẩm, tăng sức cạnh tranh trên thị trường thế giới. Vì vậy, việc nghiên cứu nhằm biểu hiện và tinh chế để thu nhận các protein/ enzyme có độ tinh sạch cao nhằm phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng sản xuất là thật sự cần thiết.
Bacillus subtilis, vi khuẩn an toàn GRAS – FDA Hoa Kỳ chứng nhận, được coi là vi khuẩn mô hình cho các chủng vi khuẩn Gram dương với các ưu điểm như không có endotoxin, hệ thống plasmid tồn tại độc lập cho phép biểu hiện protein tái tổ hợp ở cả dạng tiết ra môi trường hoặc nội bào ở mức cao. Môi trường nuôi cấy rẻ tiền, quy trình nuôi cấy đơn giản với chi phí thấp nhưng hiệu quả tạo sản phẩm, tạo sinh khối cao. Là loại vi khuẩn an toàn, không có độc tố, B. subtilis dễ dàng đáp ứng các điều kiện sản xuất protein ở quy mô công nghiệp. Đặc biệt, B. subtilis còn có khả năng kích thích miễn dịch để hỗ trợ điều trị các bệnh đường tiêu hóa và đường tiết niệu. Đồng thời, vi khuẩn này có thể chuyển đổi một số chất độc hại thành các hợp chất vô hại trong xử lý môi trường.
Với những đặc điểm như trên, vi khuẩn Bacillus subtilis được ứng dụng nhiều trong đời sống như dùng trong chế biến thực phẩm natto và probiotics cho người, sản xuất chế phẩm sử dụng trong nông nghiệp, sản xuất chất hoạt động bề mặt sinh học dùng để khử trùng các dụng cụ y tế, sản xuất các enzyme và cao phân tử khác nhau dùng trong công nghiệp. Đặc biệt, B. subtilis được sử dụng phổ biến trong sản xuất enzyme công nghiệp nhờ ba đặc điểm nổi bật là an toàn, dễ nuôi cấy và tiết protein hiệu quả.
B. subtilis được xem là chủng chủ tiềm năng trong sản xuất protein tái tổ hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng B. subtilis cho sản xuất protein tái tổ hợp còn rất hạn chế, mà nguyên nhân chủ yếu là do không có hệ thống vector biểu hiện mạnh thích hợp cho chủng vi sinh vật này. Các phân tử vector trên cơ bản là plasmid (một dạng DNA vòng tồn tại độc lập với bộ gen của vi khuẩn) được dùng để chuyển gen ngoại lai vào vi khuẩn. Khi cần biểu hiện một protein tái tổ hợp, tùy thuộc vào mục tiêu và đặc tính của protein mà nhà nghiên cứu phải chọn loại vector phù hợp để chuyển gen. Do đó, nhu cầu về một hệ thống đa dạng các vector cho phép biểu hiện protein tái tổ hợp hiệu quả là bắt buộc để có thể sản xuất protein trên B. subtilis.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, nhóm nghiên cứu Trung tâm KH&CN Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM đã xây dựng phát triển vector biểu hiện. Các vector đã được phát triển đa dạng về cơ chế biểu hiện, chất cảm ứng, điều kiện biểu hiện và phù hợp cho nhiều loại protein khác nhau. Đây là hướng nghiên cứu cơ bản có tính ứng dụng cao, có khả năng phát triển công nghệ nền định hướng cho sự phát triển ngành công nghiệp protein tái tổ hợp trong nước.
Hoạt động bề mặt của vi khuẩn Bacillus subtilis
Hai vector đầu tiên của hệ thống này là pHT01 (biểu hiện nội bào) và pHT43 (biểu hiện ngoại bào), được thương mại hóa bởi công ty MobiTec (cộng hòa liên bang Đức) từ năm 2007 cùng với công ty TNHH Công nghệ sinh học HT (HTBiotec) đã khởi đầu cho khuynh hướng nghiên cứu cảm ứng biểu hiện protein tái tổ hợp trong B. subtilis của nhóm. Hệ thống biểu hiện này sử dụng promoter mạnh Pgrac, được dung hợp từ promoter mạnh PgroESL có nguồn gốc từ B. subtilis với operator lac (lacO) từ Escherichia coli, cảm ứng bằng IPTG. Nhờ có hệ thống điều hòa hoạt động tốt từ E. coli, promoter Pgrac đã làm đơn giản quá trình dòng hóa; đồng thời cho chép biểu hiện protein mục tiêu với mức độ cao trên B. subtilis, lên đến 16% protein tổng số.
Từ những thành công ban đầu, nhóm tiếp tục cải tiến nhằm tối ưu hóa và tăng hiệu quả sử dụng của hệ thống plasmid pHT trong B. subtilis. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc khai thác cơ sở dữ liệu (phối hợp với hướng Tin – Sinh học) và tiến hành thực nghiệm nhằm khai thác các thông tin thật sự có ý nghĩa về sự điều hòa biểu hiện gen. Hệ thống các vector hiện tại trong nhóm đã có thể đáp ứng đa dạng các nhu cầu biểu hiện protein tái tổ hợp hiện nay.
Protein tái tổ hợp trong vi khuẩn Bacillus subtilis có thể ứng dụng trong sản xuất vaccine
Bên cạnh các hệ thống biểu hiện cho B. subtilis được tạo ra bởi nhóm nghiên cứu, Trung tâm còn tiến hành biểu hiện các protein tái tổ hợp ở E. coli hay nấm men. Ngoài ra, một hướng nghiên cứu khác của nhóm là tạo ra các chủng vi sinh vật có tiềm năng biểu hiện các enzyme thủy phân cellulose, tinh bột, chitin, protein, lipid… đặc biệt là là các chủng vi sinh vật có khả năng đối kháng với các vi sinh vật gây bệnh. Các chủng vi sinh vật này có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh phục vụ cho việc xử lý rác thải, nước thải, nước trong nuôi trồng, phân bón, thuốc trừ sâu…
Hiện Trung tâm có đầy đủ các trang thiết bị cần thiết cho các hoạt động nghiên cứu đến sản xuất thử. Với đội ngũ nhiều kinh nghiệm, Trung tâm có thể lựa chọn hệ thống biểu hiện phù hợp nhất để đạt được mục tiêu đề ra với hiệu quả cao nhất. Bên cạnh đó, với sự hợp tác chặt chẽ cùng các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Trung tâm có đầy đủ tiềm năng để có thể thực hiện từ nghiên cứu đến sản xuất thử nghiệm các protein tái tổ hợp khác nhau nhằm ứng dụng vào nông nghiệp, công nghiệp và y dược.
Ngọc Anh