Các nhà khoa học tại Viện Hải dương học vừa đạt được bước tiến quan trọng trong việc “giải mã” các enzyme đặc hiệu từ vi sinh vật biển bản địa. Thành công này không chỉ mở ra hướng đi mới cho công nghệ sinh học biển Việt Nam mà còn giúp tối ưu hóa giá trị của các hợp chất polysaccharide sulfat hóa quý giá từ rong biển và động vật biển.
Tiềm năng chưa được khai thác từ nguồn polysaccharide biển
Việt Nam sở hữu hệ sinh thái biển vô cùng phong phú với hàng nghìn loài rong biển và động vật không xương sống. Các loài như hải sâm, cầu gai hay rong nâu từ lâu đã được biết đến là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu polysaccharide sulfat hóa.
Các hợp chất này, điển hình là fucoidan và ulvan, mang lại nhiều lợi ích y sinh như điều hòa miễn dịch và chống viêm. Tuy nhiên, cấu trúc của chúng rất phức tạp, khiến việc chiết tách và ứng dụng vào thực tiễn gặp nhiều rào cản kỹ thuật.
Trong y học và thực phẩm chức năng, các nhà khoa học thường ưu tiên sử dụng dạng oligosaccharide (mạch ngắn). Để tạo ra các mạch ngắn này từ cấu trúc dài phức tạp, enzyme sinh học là công cụ hiệu quả và thân thiện với môi trường nhất.
Việc tìm kiếm các enzyme có tính chọn lọc cao để “cắt” các mạch polysaccharide này là bài toán mà nhiều đơn vị nghiên cứu đang theo đuổi. Tuy nhiên, các enzyme chuyên biệt thường rất hiếm và khó làm chủ được công nghệ chiết xuất cũng như bảo quản hoạt tính.
Trong bối cảnh đó, enzyme từ vi sinh vật biển được coi là “chìa khóa vàng” nhờ khả năng hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt. Chúng vốn đã thích nghi với độ mặn cao, áp suất và nhiệt độ biến thiên của đại dương nên có độ bền vượt trội so với enzyme trên cạn.
Nghiên cứu mới đây đã tập trung vào việc sàng lọc các chủng vi sinh vật có khả năng sinh ra hai nhóm enzyme quan trọng: fucoidanase và ulvan lyase. Đây là những nhóm enzyme cực kỳ hạn chế không chỉ tại Việt Nam mà còn trên phạm vi toàn thế giới hiện nay.
Hành trình giải mã 2.000 chủng vi sinh vật tại Viện Hải dương học
TS. Cao Thị Thúy Hằng cùng nhóm nghiên cứu đã dựa trên Bộ sưu tập vi sinh vật biển nuôi cấy được (NCMM) để triển khai đề tài. Đây là kho tài nguyên di truyền quý giá với hơn 2.000 chủng vi khuẩn và vi nấm biển đã được lưu giữ qua nhiều thập kỷ.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện chuỗi phương pháp liên ngành, từ khảo sát thực địa tại Nha Trang đến phân tích sinh học hiện đại. Các mẫu rong biển và hải sâm sau khi thu thập được bảo quản nghiêm ngặt để giữ nguyên các đặc tính sinh học ban đầu.
Qua quá trình sàng lọc tỉ mỉ, các nhà khoa học đã xác định được 22 chủng vi sinh vật biển thực sự có tiềm năng. Trong đó bao gồm 17 chủng vi khuẩn và 5 chủng vi nấm có khả năng sản sinh ra enzyme chuyển hóa fucoidan và ulvan.
Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã tiến thêm một bước dài khi giải mã hệ gene của 4 chủng vi khuẩn tiềm năng nhất. Việc giải mã này giúp phát hiện ra các gene mã hóa enzyme mà trước đây chưa từng được báo cáo tại Việt Nam.
Lần đầu tiên, gene mã hóa fucoidanase được tìm thấy ở chủng Halomonas cupida – một loài vi khuẩn biển bản địa của chúng ta. Việc làm giàu dữ liệu di truyền này đóng góp quan trọng vào kho tàng tri thức về công nghệ sinh học biển quốc gia.
Quá trình tinh sạch enzyme cũng là một thử thách lớn do các protein này rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường. Nhóm đã phải tối ưu hóa từng chi tiết nhỏ từ nồng độ dung môi, pH đến độ mặn để giữ nguyên hoạt tính xúc tác.
Đặc tính ưu việt của enzyme ulvan lyase và fucoidanase bản địa
Sau khi được tinh sạch, các enzyme mục tiêu như ulvan lyase từ vi khuẩn Alteromonas macleodii đã bộc lộ những đặc tính rất khả quan. Các thông số về nhiệt độ tối ưu, pH và ảnh hưởng của ion kim loại đã được nhóm nghiên cứu xác định một cách chính xác.
Tương tự, enzyme phân giải fucoidan từ nấm Trichoderma longibrachiatum cũng cho thấy khả năng hoạt động bền bỉ. Những enzyme này có thể “cắt” các chuỗi polysaccharide dài thành các đoạn nhỏ có hoạt tính sinh học cao hơn và dễ hấp thụ hơn.
Thành công này cho thấy trình độ nghiên cứu của Việt Nam đang dần tiệm cận với các quốc gia tiến bộ như Nhật Bản, Hàn Quốc hay Pháp. Thay vì chỉ dừng lại ở bước sàng lọc thô, chúng ta đã tiến sâu vào giai đoạn giải mã hệ gene và đặc trưng hóa enzyme.
Một điểm khác biệt lớn của nghiên cứu này là việc tiếp cận đồng thời cả nguồn polysaccharide từ thực vật và động vật biển. Sự đa dạng này giúp tạo ra một dải ứng dụng rộng hơn cho các loại thực phẩm chức năng và dược phẩm thế hệ mới.
Việc làm chủ công nghệ enzyme nội địa sẽ giúp các doanh nghiệp dược phẩm giảm bớt sự phụ thuộc vào các nguồn nhập khẩu đắt đỏ. Bên cạnh đó, enzyme từ biển nhiệt đới Việt Nam có thể mang những đặc tính xúc tác riêng biệt mà các vùng ôn đới không có.
Kết quả nghiên cứu đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển các quy trình sản xuất oligosaccharide chức năng ở quy mô lớn. Đây chính là tiền đề để hiện thực hóa các sản phẩm chăm sóc sức khỏe có nguồn gốc hoàn toàn từ thiên nhiên biển đảo quê hương.
Tầm nhìn sản xuất enzyme tái tổ hợp và ứng dụng vào công nghiệp
TS. Cao Thị Thúy Hằng nhận định rằng thành công lớn nhất là chứng minh được tiềm năng của vi sinh vật biển Việt Nam. Từ những kết quả bước đầu, hướng đi tiếp theo sẽ là phát triển các hệ thống sản xuất enzyme tái tổ hợp hiệu suất cao.
Công nghệ tái tổ hợp sẽ giúp chúng ta sản xuất lượng lớn enzyme mà không cần phụ thuộc vào việc nuôi cấy trực tiếp vi sinh vật biển. Điều này giúp ổn định chất lượng enzyme, hạ giá thành sản xuất và dễ dàng kiểm soát các tiêu chuẩn an toàn sinh học.
Trong tương lai, các oligosaccharide được tạo ra từ công nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trong điều trị bệnh và y sinh. Chúng có khả năng hỗ trợ điều hòa miễn dịch, ngăn ngừa viêm nhiễm và thậm chí là hỗ trợ ức chế các khối u ác tính.
Việc khai thác hợp lý tài nguyên vi sinh vật biển gắn liền với bảo tồn là hướng đi bền vững cho kinh tế biển Việt Nam. Nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học thuần túy mà còn mang lại giá trị kinh tế trực tiếp cho ngành công nghiệp dược.
Đây cũng là bước tiến quan trọng trong chiến lược phát triển công nghệ sinh học biển đến năm 2030 của Viện Hàn lâm. Sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sẽ giúp đưa các kết quả này từ phòng thí nghiệm ra thị trường tiêu dùng.
Mỗi chủng vi khuẩn, vi nấm biển được tìm thấy đều là một “nhà máy” mini sản xuất các hợp chất quý giá cho con người. Việc khai phá những “nhà máy” này chính là con đường để khẳng định vị thế của khoa học biển Việt Nam trên bản đồ quốc tế.
Hy vọng trong tương lai gần, chúng ta sẽ thấy những chế phẩm dược liệu biển được chiết xuất hoàn toàn bằng enzyme nội địa. Điều này không chỉ mang lại sự tự hào mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng bằng những sản phẩm an toàn và hiệu quả nhất.
Kết luận
Công trình nghiên cứu enzyme từ vi sinh vật biển của nhóm TS. Cao Thị Thúy Hằng tại Viện Hải dương học là một dấu mốc quan trọng. Việc làm chủ công nghệ chiết xuất và giải mã hệ gene enzyme giúp chuyển hóa hiệu quả các nguồn polysaccharide biển giàu giá trị. Đây là hướng đi đầy triển vọng, góp phần hiện thực hóa mục tiêu tự chủ công nghệ sinh học và phát triển kinh tế biển bền vững cho đất nước.
