Polysaccharide sulfat hóa là nhóm hợp chất có trong rong biển và một số động vật không xương sống biển. Trong đó, fucoidan có nhiều ở rong nâu, ulvan có trong rong lục. Để chuyển hóa những hợp chất có cấu trúc phức tạp này thành các phân tử nhỏ hơn, có thể sử dụng các enzyme chuyên biệt do vi sinh vật tạo ra.
Từ hướng tiếp cận này, TS. Cao Thị Thúy Hằng cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Hải dương học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực hiện nhiệm vụ "Nghiên cứu khả năng sinh enzyme chuyển hóa sulfated polysaccharide nguồn gốc sinh vật biển từ Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được ở Việt Nam", mã số KHCBBI.01/21-23.
Tuyển chọn 22 chủng vi sinh vật biển
Một trong những nguồn lực quan trọng của nghiên cứu là Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được tại Viện Hải dương học, với hơn 2.000 chủng vi khuẩn và vi nấm biển được phân lập từ nhiều hệ sinh thái biển của Việt Nam.
Từ nguồn vật liệu này, nhóm nghiên cứu đã xác định 22 chủng vi sinh vật biển có tiềm năng sinh enzyme chuyển hóa fucoidan và ulvan, gồm 17 chủng vi khuẩn và 5 chủng vi nấm.
Các chủng được định danh, phân loại bằng phương pháp sinh học phân tử; trình tự 16S rDNA đối với vi khuẩn và ITS đối với vi nấm được đăng ký trên cơ sở dữ liệu GenBank. Trong số đó, 5 chủng đã có dữ liệu về các điều kiện lên men thích hợp như thành phần môi trường, thời gian lên men, pH và nhiệt độ.
Thu mẫu rong biển phục vu chiết xuất fucoidan và làm nguồn phân lập vi sinh vật biển.
Nghiên cứu tiếp tục giải mã và phân tích hệ gen của 4 chủng vi khuẩn tiềm năng. Kết quả phát hiện nhiều gen mã hóa enzyme có khả năng chuyển hóa fucoidan và ulvan. Đáng chú ý, gen mã hóa fucoidanase lần đầu tiên được phát hiện ở chủng vi khuẩn biển Halomonas cupida 0522KB3.1.
Việc xác định các gen liên quan giúp làm rõ hơn tiềm năng di truyền của những chủng vi sinh vật được tuyển chọn, đồng thời cung cấp dữ liệu cho hướng nghiên cứu enzyme tái tổ hợp trong giai đoạn tiếp theo.
Từ nguồn gen đến enzyme
Nghiên cứu không dừng ở bước sàng lọc vi sinh vật và phân tích hệ gen. Nhóm đã xác định điều kiện lên men đối với một số chủng vi khuẩn và vi nấm biển, sau đó tiến hành nuôi cấy, tinh sạch và đánh giá đặc tính của các enzyme mục tiêu.
Trong đó, enzyme ulvan lyase từ vi khuẩn Alteromonas macleodii và enzyme phân giải fucoidan từ nấm Trichoderma longibrachiatum đã được tinh sạch, xác định các đặc tính xúc tác liên quan đến nhiệt độ, pH, độ mặn và ảnh hưởng của ion kim loại.
Theo kết quả nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu thu được 10 mg ulvan lyase tinh sạch, độ sạch đạt từ 70% trở lên, hiệu suất thủy phân ulvan đạt từ 50% trở lên. Đồng thời, cơ sở dữ liệu hệ gen của 4 chủng vi khuẩn tuyển chọn được xây dựng, gồm trình tự toàn bộ hệ gen kèm chú giải.
Các kết quả cho thấy nguồn vi sinh vật biển bản địa không chỉ có giá trị lưu giữ nguồn gen mà còn có thể được khai thác để tìm kiếm những enzyme chuyên biệt phục vụ công nghệ sinh học.
Theo TS. Cao Thị Thúy Hằng, một trong những thách thức của nghiên cứu là duy trì hoạt tính enzyme trong quá trình tinh sạch và bảo quản do enzyme từ vi sinh vật biển nhạy cảm với những thay đổi về pH, nhiệt độ và độ mặn. Vì vậy, điều kiện từ lên men đến tinh sạch cần được kiểm soát phù hợp với từng enzyme.
Kết quả của nhiệm vụ tạo nền tảng cho việc tiếp tục nghiên cứu các enzyme có khả năng chuyển hóa polysaccharide sulfat hóa thành oligosaccharide chức năng. Đây cũng là cơ sở để khai thác sâu hơn nguồn gen vi sinh vật biển, nghiên cứu enzyme tái tổ hợp và phát triển các sản phẩm công nghệ sinh học từ tài nguyên biển Việt Nam.
