Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford vừa công bố một phát hiện đột phá của họ về tám gen mới chưa từng được biết đến. Khi các gen này được đưa vào lá thuốc lá, chúng có khả năng tái tạo baccatin III – một tiền chất quan trọng của Taxol (một loại thuốc chống ung thư) – với lượng tương đương như khi thu hoạch tự nhiên từ cây thủy tùng. Khám phá này hứa hẹn sẽ đẩy nhanh quá trình sản xuất loại thuốc điều trị ung thư thiết yếu này.

Cây thủy tùng thuộc chi Taxus là nguồn tự nhiên của paclitaxel, một loại thuốc hóa trị liệu mạnh được bán dưới tên Taxol. Trong những cây lá kim mọc chậm này, nồng độ cao nhất của các chất trung gian giai đoạn cuối như baccatin III tích lũy trong vỏ cây, nơi chúng chỉ đạt 0,001–0,050% trọng lượng khô, và ở mức độ thấp hơn nữa trong lá của những chồi non.

Việc chiết xuất trực tiếp paclitaxel từ cây thủy tùng cho ra rất ít vật liệu đến nỗi các nhà sản xuất thay vào đó bán tổng hợp paclitaxel từ chất trung gian dồi dào hơn là baccatin III. Ngay cả phương pháp tiêu chuẩn công nghiệp này cũng kém hiệu quả cao so với các phương pháp sản xuất thuốc hiện đại khác.

Thêm vào tình thế khó xử, việc thu hoạch vỏ cây gây ra chi phí sinh thái và kinh tế nghiêm trọng, vì việc loại bỏ các lớp bảo vệ bên ngoài thường làm chết cây, trong khi lá có thể được thu thập bền vững hơn nhưng chứa nồng độ hợp chất mong muốn thấp hơn. Cần có một giải pháp sinh tổng hợp hoàn toàn bền vững.

Giữa những năm cuối thập niên 1990 và 2006, các nhà nghiên cứu đã mô tả 12 enzyme trong con đường sinh tổng hợp Taxol. Kể từ đó, tiến độ đã bị đình trệ, vẫn còn thiếu hệ thống sản xuất hoàn chỉnh với vô số bước còn thiếu.

Trong nghiên cứu xuất bản trên Nature, các nhà nghiên cứu đã phát triển công nghệ bản phiên mã đa kênh nhiễu loạn × đơn nhân (mpXsn) để giải quyết các mô đun trao đổi chất của Taxus. Tổng cộng 17.143 bản phiên mã đơn nhân trải rộng trên 272 mẫu mô, loại tế bào, giai đoạn phát triển và điều kiện kích thích từ lá Taxus media đã được lập hồ sơ và cô đọng thành 2.901 trạng thái tế bào giả khối. Các ứng cử viên hàng đầu đã được kiểm tra chức năng bằng cách biểu hiện thoáng qua trong lá thuốc lá Nicotiana benthamiana, với các sản phẩm trao đổi chất được phân tích qua sắc ký khí–khối phổ và cộng hưởng từ hạt nhân.

Tám gen chưa từng được mô tả trước đây đã xuất hiện từ các sàng lọc này, bao gồm một protein giống yếu tố vận chuyển hạt nhân 2, FoTO1, giúp cải thiện độ chính xác của bước oxy hóa đầu tiên. Một số enzyme nữa được phát hiện đã hoàn thành các bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi chất nền thành baccatin III. Hai trong số các enzyme còn thiếu có chung chức năng xúc tác mặc dù chúng được tiến hóa độc lập.

Theo các tác giả, danh tính của các gen Taxol mới làm sáng tỏ lý do tại sao chúng không được biết đến trong một thời gian dài. Việc tái tạo con đường đòi hỏi các họ gen và chức năng hóa không lường trước được."

Phương pháp mpXsn đã vượt qua các giới hạn độ phân giải bản phiên mã trong một bộ gen lớn, phức tạp. Hơn cả một cái nhìn sâu sắc về bộ gen, phương pháp này về cơ bản đã làm lộ rõ quá trình tự nhiên dẫn đến một paclitaxel hoàn chỉnh, một tiến bộ khái niệm lớn trong cả việc nghiên cứu các chức năng gen ẩn và sản xuất Taxol.

Khám phá những tin tức khoa học, công nghệ và không gian mới nhất với hơn 100.000 người đăng ký tin tưởng Phys.org để có những hiểu biết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về các đột phá, đổi mới và nghiên cứu quan trọng – hàng ngày hoặc hàng tuần.

Các enzyme mới được xác định cung cấp một giải pháp thay thế tiềm năng cho việc tìm nguồn cung ứng baccatin III từ cây thủy tùng, mở đường cho việc sản xuất sinh học paclitaxel quy mô lớn bền vững.

Ngoài sinh tổng hợp paclitaxel, nền tảng mpXsn sẽ hữu ích cho việc nghiên cứu các bộ gen quan tâm trong các sinh vật không mô hình khác. Đặc biệt, sinh vật nhân chuẩn đặt ra những thách thức lớn đối với bộ gen chức năng và khám phá dựa trên gen, bởi vì chúng thường thiếu các cụm gen toàn diện được tìm thấy ở sinh vật nhân sơ.

Các phương pháp như mpXsn, có thể thu thập sự đồng biến gen chính xác trên hàng trăm trạng thái phiên mã một cách phải chăng, có thể giúp vượt qua thách thức lâu dài này trong bộ gen chức năng.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/, 6/2025