Benzobactin là sản phẩm tự nhiên của vi khuẩn có hoạt tính sinh học đặc biệt do hợp chất gồm hai cấu trúc vòng. Các gen của vi khuẩn chịu trách nhiệm hình thành hợp chất trước đây vẫn chưa rõ ràng.
Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Vi sinh vật trên cạn Max Planck đã có thể giải mã quá trình sinh tổng hợp của nó thông qua nghiên cứu bộ gen sâu rộng. Nghiên cứu của họ tạo điều kiện cho việc phát hiện ra nhiều hợp chất tự nhiên chưa được biết đến trước đây để điều trị bằng thuốc y tế.
>> Tham khảo: Công cụ AI dự đoán khi nào một ngân hàng nên được giải cứu.
Trong môi trường sống tự nhiên của chúng, các vi sinh vật thường tiếp xúc với các điều kiện môi trường thay đổi đòi hỏi nhiều phản ứng sinh tồn. Hiệu quả nhất là khả năng sản xuất nhiều loại sản phẩm tự nhiên với cấu trúc và chức năng hóa học đa dạng.
1. Benzobactines – mạnh, nhưng hiếm
Benzoxazolinate là một hợp chất tự nhiên hiếm có mang lại hoạt tính sinh học đặc biệt cho các sản phẩm tự nhiên. Ví dụ, nó là phần thiết yếu của lidamycin, một loại kháng sinh chống ung thư, là một trong những hợp chất gây độc tế bào nhất cho đến nay. Lý do cho khả năng này là do benzoxazolinate bao gồm hai vòng, một cấu trúc cho phép nó tương tác với protein cũng như với DNA. Tuy nhiên, việc truy tìm những người sản xuất chất quý hiếm này trong tự nhiên giống như mò kim đáy bể.
Để khai thác các hợp chất tự nhiên có giá trị dược phẩm mới, như kháng sinh, thuốc ức chế khối u hoặc ức chế miễn dịch, cần phải biết các gen chịu trách nhiệm, hay chính xác hơn là các cụm gen sinh tổng hợp (BGC) của chúng. BGC là các nhóm cục bộ gồm hai hoặc nhiều gen cùng nhau mã hóa việc sản xuất một bộ enzym nhất định – và do đó, các sản phẩm tự nhiên tương ứng được tạo ra bởi các enzym này.
>> Tham khảo: Các kỹ sư tìm ra cách tạo ra pin nhỏ hơn và nhẹ hơn.
Cho đến nay, băng gen sinh tổng hợp của benzoxazolinate vẫn khó nắm bắt, cản trở việc mở rộng danh mục các hợp chất có chứa benzoxazolinate có hoạt tính sinh học. Cụ thể hơn, bước hình thành cuối cùng của benzoxazolinate là không rõ ràng. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học Max-Planck do Tiến sĩ Yi-Ming Shi và Giáo sư Tiến sĩ Helge Bode dẫn đầu đã thành công trong việc mô tả đặc tính sinh tổng hợp của con đường benzoxazolinate.
Trong quá trình sinh tổng hợp, con đường rõ ràng là “mượn” một chất trung gian từ cái gọi là con đường phenazine, chịu trách nhiệm sản xuất một sản phẩm tự nhiên khác. Quan trọng nhất, các nhà nghiên cứu đã xác định được enzyme chịu trách nhiệm cho bước cuối cùng, quá trình tạo vòng thành benzoxazolinate.
2. Sử dụng enzyme làm chất thăm dò các chất tự nhiên
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Jan Crames, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu cũng được tài trợ bởi Trung tâm LOEWE về bộ gen đa dạng sinh học chuyển mã (LOEWE TBG) và Hội đồng nghiên cứu châu Âu, giải thích: “Biết được danh tính của enzyme, chúng tôi đã sử dụng nó như một đầu dò.
>> Tham khảo: Mối quan hệ giữa khu vực con người sinh sống và sự tích tụ hạt vi nhựa ở các dòng sông.
Với việc khai thác bộ gen, chúng tôi có thể phát hiện ra nhiều con đường sinh tổng hợp có liên quan chặt chẽ với các sản phẩm tự nhiên có chứa benzoxazolinate, được gọi là benzobactin.” Theo các nhà khoa học, khía cạnh nổi bật nhất là sự phân bố rộng rãi của các gen này ở các vi khuẩn khác.
“Những con đường này đã được tìm thấy ở các vi khuẩn đa dạng đáng kể về mặt phân loại và sinh thái, từ đất liền đến đại dương, cũng như mầm bệnh thực vật và vi khuẩn kiểm soát sinh học. Sự phân bố rộng rãi của chúng cho thấy rằng các phân tử này có chức năng sinh thái quan trọng đối với các nhà sản xuất,” như Yi-Ming Shi, tác giả đầu tiên của nghiên cứu chỉ ra.
Giáo sư Helge Bode, trưởng bộ phận “Các sản phẩm tự nhiên trong tương tác sinh vật” tại Viện Vi sinh vật trên cạn Max-Planck ở Marburg, cho biết thêm: “Phát hiện của chúng tôi cho thấy tiềm năng sinh tổng hợp to lớn của một cụm gen sinh tổng hợp rộng rãi đối với benzobactin. Bây giờ, chúng tôi phải tìm ra chức năng sinh thái của chúng và liệu chúng ta có thể áp dụng chúng như thuốc kháng sinh hoặc các loại thuốc khác hay không.”
>> Tham khảo: Nghiên cứu cho thấy xử lý đất bằng ethanol bảo vệ thực vật khỏi hạn hán.
Quá trình kết tinh và phân tích cấu trúc của một enzym quan trọng được thực hiện với sự cộng tác của Tiến sĩ Laura Czech và Giáo sư Gert Bange từ SYNMIKRO, Đại học Philipps-Marburg. Động học của enzyme được phân tích bởi Nicole Paczia và nhóm từ Cơ sở cốt lõi về Chuyển hóa và Quang phổ khối phân tử nhỏ của chúng tôi. Trình tự bộ gen được thực hiện bởi Giáo sư Jörn Kalinowski và nhóm nghiên cứu từ Đại học Bielefeld.
