Giải mã “kho enzyme” dưới đáy biển nhờ vi sinh vật biển

Khi tài nguyên biển cần một “chìa khóa” sinh học

Biển Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, nơi giao thoa của nhiều hệ sinh thái đặc thù. Sự phong phú về rong nâu, rong lục cùng các loài động vật không xương sống như hải sâm, cầu gai… tạo nên nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu polysaccharide sulfat hóa.

Đây là nhóm đại phân tử sinh học có cấu trúc phức tạp, chứa các nhóm sulfat gắn trên mạch đường, mang lại nhiều đặc tính sinh học đáng chú ý.

Fucoidan từ rong nâu, ulvan từ rong lục hay sulfated chondroitin từ hải sâm đã được nhiều công trình quốc tế ghi nhận với khả năng điều hòa miễn dịch, hỗ trợ chống viêm, chống oxy hóa và tiềm năng trong điều trị bệnh mạn tính.

Tuy nhiên, các polysaccharide này thường có khối lượng phân tử lớn, cấu trúc không đồng nhất, gây khó khăn trong việc kiểm soát hoạt tính và tiêu chuẩn hóa sản phẩm.

Các nghiên cứu gần đây cho thấy chính những đoạn mạch ngắn hơn - gọi là oligosaccharide - mới là phân đoạn thể hiện hoạt tính sinh học rõ rệt và ổn định hơn.

Vấn đề đặt ra là làm sao cắt mạch polysaccharide một cách chọn lọc, chính xác và an toàn, thay vì sử dụng phương pháp hóa học có thể làm biến đổi cấu trúc hoặc tạo sản phẩm phụ ngoài ý muốn.

Trong bối cảnh đó, enzyme sinh học được xem như “chìa khóa” mở cánh cửa chuyển hóa. Nhờ tính đặc hiệu cao, enzyme có thể nhận diện và cắt đúng vị trí liên kết, tạo ra sản phẩm mong muốn trong điều kiện phản ứng nhẹ nhàng, thân thiện môi trường.

Tuy nhiên, nguồn enzyme chuyên biệt phân giải polysaccharide sulfat hóa hiện vẫn còn hạn chế, đặc biệt với các chủng vi sinh vật sống ở vùng biển nhiệt đới.

Khai thác bộ sưu tập vi sinh vật biển Việt Nam

Nhận thấy tiềm năng còn bỏ ngỏ, nhóm nghiên cứu tại Viện Hải dương học (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) do TS. Cao Thị Thúy Hằng chủ trì đã triển khai đề tài cấp Viện Hàn lâm với mục tiêu khai thác khả năng sinh enzyme chuyển hóa polysaccharide sulfat hóa từ nguồn vi sinh vật biển bản địa.

Nền tảng của nghiên cứu là bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được (NCMM) - nơi lưu giữ hơn 2.000 chủng vi khuẩn và vi nấm được phân lập từ nhiều hệ sinh thái biển khác nhau của Việt Nam. Đây được xem là “ngân hàng di truyền” quý giá, phản ánh đa dạng sinh học vi mô của vùng biển nhiệt đới.

Thay vì chỉ tập trung vào chiết tách hợp chất từ sinh vật biển như nhiều nghiên cứu trước đây, nhóm lựa chọn hướng tiếp cận sâu hơn: Tìm kiếm các chủng vi sinh vật có khả năng sinh enzyme đặc hiệu, có thể phân giải fucoidan và ulvan thành các phân đoạn nhỏ hơn có giá trị sinh học cao.

Để thực hiện mục tiêu này, nhóm triển khai quy trình liên ngành: Từ khảo sát, thu mẫu rong biển và hải sâm tại vùng biển Nha Trang; định danh sinh vật bằng phương pháp hình thái học; chiết tách và phân tích cấu trúc polysaccharide bằng các kỹ thuật phổ hiện đại; đến sàng lọc vi sinh vật có khả năng sử dụng hoặc phân giải các hợp chất này làm nguồn carbon.

Kết quả bước đầu cho thấy 22 chủng vi sinh vật biển có tiềm năng sinh enzyme phân giải polysaccharide sulfat hóa, bao gồm 17 chủng vi khuẩn và 5 chủng vi nấm.

Các chủng này được định danh bằng giải trình tự 16S rDNA (đối với vi khuẩn) và ITS (đối với nấm), sau đó đăng ký trên cơ sở dữ liệu quốc tế GenBank.

Điểm đáng chú ý của đề tài là việc không dừng lại ở mức xác định hoạt tính sơ bộ. Nhóm đã tiến hành giải mã và phân tích hệ gene của 4 chủng vi khuẩn tiềm năng nhằm tìm kiếm các gene mã hóa enzyme liên quan đến quá trình phân giải polysaccharide sulfat hóa.

Lần đầu tiên, gene mã hóa fucoidanase được phát hiện ở chủng Halomonas cupida phân lập từ môi trường biển Việt Nam. Phát hiện này không chỉ bổ sung dữ liệu mới cho ngân hàng gene quốc tế mà còn mở ra hướng nghiên cứu enzyme đặc hiệu có nguồn gốc bản địa.

Bên cạnh đó, enzyme ulvan lyase từ Alteromonas macleodii và enzyme phân giải fucoidan từ nấm Trichoderma longibrachiatum đã được tinh sạch và khảo sát các đặc tính xúc tác như nhiệt độ tối ưu, pH hoạt động, khả năng chịu mặn và ảnh hưởng của ion kim loại.

Việc đặc trưng hóa enzyme ở mức độ sinh hóa cho phép đánh giá khả năng ứng dụng thực tế. Các enzyme có nguồn gốc biển thường thích nghi tốt với môi trường mặn và biến động nhiệt độ, do đó tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp - đặc biệt ở điều kiện khắc nghiệt - được đánh giá cao.

Triển vọng enzyme tái tổ hợp và ứng dụng công nghiệp

Theo nhóm nghiên cứu, khó khăn lớn nhất không chỉ nằm ở việc phát hiện chủng sinh enzyme mà còn ở quá trình tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và tinh sạch. Enzyme biển thường nhạy cảm với thay đổi môi trường; nếu pH, nhiệt độ hoặc độ mặn không phù hợp, hoạt tính có thể giảm nhanh chóng.

Do thiếu dữ liệu tham chiếu về enzyme từ vi sinh vật biển nhiệt đới, nhóm phải tự xây dựng chiến lược phân tích tin sinh học và chú giải gene, đối chiếu với các cơ sở dữ liệu quốc tế còn khá hạn chế. Điều này đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa chuyên gia vi sinh, sinh hóa và công nghệ sinh học phân tử.

So với nhiều nghiên cứu trong nước trước đây chỉ dừng ở bước sàng lọc hoặc đánh giá hoạt tính ban đầu, đề tài này tiến thêm một bước quan trọng: Giải mã hệ gene, phân tích chức năng gene và đặc trưng hóa enzyme ở cấp độ xúc tác. Cách tiếp cận này tiệm cận xu hướng nghiên cứu hiện đại tại các quốc gia có nền công nghệ sinh học biển phát triển.

Một trong những định hướng tiếp theo của nhóm là phát triển enzyme tái tổ hợp. Bằng cách chuyển gene mã hóa enzyme vào hệ biểu hiện phù hợp, có thể sản xuất enzyme với sản lượng cao, độ ổn định tốt và dễ kiểm soát chất lượng hơn so với khai thác trực tiếp từ vi sinh vật tự nhiên.

Việc làm chủ công nghệ enzyme tái tổ hợp sẽ giúp giảm phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, đồng thời tạo tiền đề hình thành chuỗi sản xuất oligosaccharide chức năng trong nước. Những sản phẩm này có thể ứng dụng trong thực phẩm chức năng, dược phẩm, mỹ phẩm sinh học và vật liệu y sinh.

Trong giai đoạn tới, nhóm hướng tới xây dựng cơ sở dữ liệu tích hợp về vi sinh vật biển Việt Nam, bao gồm thông tin định danh, hệ gene, enzyme và hoạt tính sinh học. Đây sẽ là nền tảng cho chiến lược khai thác bền vững tài nguyên sinh học biển gắn với phát triển kinh tế biển dựa trên tri thức.

Trong bối cảnh chiến lược phát triển kinh tế biển quốc gia nhấn mạnh yếu tố bền vững và công nghệ cao, việc chuyển dịch từ khai thác thô tài nguyên sang khai thác giá trị tri thức là yêu cầu tất yếu. Hướng nghiên cứu enzyme từ vi sinh vật biển bản địa không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn góp phần nâng cao giá trị gia tăng của các sản phẩm từ biển.

Từ những đại phân tử phức tạp trong rong và hải sâm, thông qua “bàn tay” của enzyme sinh học, các oligosaccharide chức năng có thể được tạo ra với cấu trúc xác định và hoạt tính cao. Điều này mở ra khả năng xây dựng quy trình sản xuất quy mô công nghiệp trong tương lai.

Thành công bước đầu của đề tài cho thấy tiềm năng lớn của nguồn vi sinh vật biển Việt Nam - một kho tài nguyên di truyền còn nhiều điều chưa được khám phá. Khi được kết nối với công nghệ giải trình tự gene, tin sinh học và kỹ thuật enzyme hiện đại, nguồn tài nguyên này có thể trở thành nền tảng cho những sản phẩm sinh học mang dấu ấn Việt Nam.

Từ phòng thí nghiệm đến triển vọng ứng dụng, hành trình khai thác enzyme biển đang cho thấy một hướng đi mới: Không chỉ khai thác những gì biển ban tặng, mà còn chuyển hóa chúng bằng tri thức và công nghệ.

Trong tương lai, chính những enzyme nhỏ bé từ vi sinh vật biển bản địa có thể trở thành động lực thúc đẩy một ngành công nghệ sinh học biển hiện đại, bền vững và giàu giá trị gia tăng cho Việt Nam./.