Các kĩ thuật này luôn được phối hợp thực hiện để có thể đo lường, phát hiện được hàng trăm đến hàng nghìn chất hóa học đặc hiệu bởi vì không một kĩ thuật đơn lẻ nào đủ mạnh để có thể giả
Trang 1Chất chuyển hóa và ứng dụng trong
nghiên cứu thực vật
Đào Thị Thanh Hiền
Trường Đại học Dược Hà Nội
SUMMARY
Metabolomics is the scientific study o f chemical processes involving metabolites In the field o f plant biology, metabolomics has
a key role as a fundamental tool in basic research for elucidating gene functions that are currently undefined Thus, metabolomics has the potential o f defining cellular processes as it provides a measure o f the ultimate phenotype o f an organism, as defined by the collage o f small molecules, whose levels o f accumulation is altered in response to genetic and environmentally induced changes in gene expression.
Từ khóa: chất chuyển hóa, metơbolomics, metabolome, thực vật
Giói thiệu chung
Chất chuyển hóa (metabolomics) là một khái
niệm mới được để cập đến trong những năm gẩn
đây, nó là các nghiên cứu tổng thể toàn diện và có hệ
thống các chất chuyển hóa ở tất cả các cấp độ trong
metabolome Các chất chuyển hóa này (tổn tại và
thay đổi theo thời gian) là kết quả của một quá trình
biến đổi phức tạp trong các tế bào Metabolome là
một thuật ngữ đề cập đến một phức hợp bao gồm
toàn bộ các chất chuyển hóa có trọng lượng phân
tử nhỏ (như các chất chuyển hóa trung gian, các
hormon, các phân tử mang tín hiệu ) trong các mẫu
sinh phẩm, các tế bào hay cả một hệ thống sinh học
(system biology) Các chất chuyển hóa (metabolites)
được định nghĩa bao gồm các chất chuyển hóa
trung gian, các sản phẩm của quá trình trao đổi chất,
các chất chuyển hóa sơ cấp và thứcấp [10], [12], [13]
Thuật ngữ metabolomics lẩn đẩu tiên được để
cập đến vào những năm 1990 [8] Có thể nói chất
chuyển hóa là thước đo cuối của mọi con đường
chuyển hóa sinh học vì vậy nó đại diện cho chức
năng, trạng thái của tế bào hơn bất cứ một đại diện
"-omics" nào khác (proteomics, genomics)
Rất nhiểu kĩ thuật phân tích được sử dụng trong
nghiên cứu metabolomics nhưcác kĩ thuật sắc kí: sắc
kí khí, sắc kí mao quản, sác kí lỏng hiệu năng cao, hay các kĩ thuật phức hợp như; sắc kí khí - khối phổ, sắc kí lỏng - khối phổ; các kĩ thuật nhận dạng chất như: phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối [5], [8], [12], [13] Các kĩ thuật này luôn được phối hợp thực hiện để có thể đo lường, phát hiện được hàng trăm đến hàng nghìn chất hóa học đặc hiệu bởi vì không một kĩ thuật đơn lẻ nào đủ mạnh để có thể giải quyết được các vấn để trong nghiên cứu metabolomics một cách độc lập Ngoài ra, mọi con đường chuyển hóa ít nhiểu đểu có sự tương đồng giữa các loài động thực vật khác nhau, tạo điều kiện cho phép ngoại suy kết quả nghiên cứu ở động vật trong phòng thí nghiệm với con người hay từ loài thực vật này sang loài thực vật khác [2], [8], [10], [11],
Để có câu trả lời chính xác trong phân tích metabolomics ta cẩn phải thu thập được đẩy đủ cơ
sở dữ liệu với 4 yêu cẩu sau:
-Đặc hiệu và khách quan,
- Phân lập được các chất phân tích,
- Phát hiện các chất,
- Nhận biết và định lượng các chất
Nghiên cứu các chất chuyển hóa đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác nhau, đặc biệt là trong các nghiên cứu về thực vật Bài viết này sẽ trình bày một số các tổng quan vể ứng
Trang 2dụng nghiên cứu chất chuyển hóc! (metabolomics)
trong các nghiên cứu vể thực vật
ứng dụng metabolomics trong nghiên cứu
thực vật
Chất chuyển hóa trong thực vật rất đa dạng và
phong phú, đến nay đă có trên 200.000 chất đâ được
nghiên cứu phát hiện [4] Công nghệ metabolomics
có rất nhiều tiềm năng trong nghiên cứu các chất
chuyển hóa trên thực vật, bao gồm các nghiên cứu
vể sự phát triển, sự biến đổi kiểu hình liên quan đến
gen, phân tích kiểu gen và sinh học hệ thống [2], [10]
Bên cạnh đó công nghệ metabolomics còn có thể
sử dụng cho việc phát hiện và xác định các chất chỉ
điểm trong cây khi cây bị bệnh, strees, hay sau một
biến đổi di truyền [1], Trong hai mươi năm qua, các
kỹ thuật di truyền đả có nhiều tiến bộ vượt bậc, đã
có thể đưa được các gene nội hoặc các gene ngoại
lai vào thực vật nhằm tạo ra các thực vật chuyển
gene, với mục đích để làm tăng, giảm hoặc loại bỏ
các hoạt động của một gene Để đánh giá được sự
ảnh hưởng của các gen chuyển này các nhà nghiên
cứu cần phải định tính, định lượng được sự biến đổi
trong thực vật chuyển gen thông qua công nghệ
metabolomics, cũng như các công nghệ "-omics"
khác như proteomics và transcriptomics Các công
nghệ này có thể sử dụng để phát hiện những tác
động của các biến đổi gen trên thực vật trong điểu
kiện phát triển bình thường cũng như khi bị strees,
từ đó cho phép chúng ta ước lượng và đánh giá
được các nguy cơ cũng nhưtiểm năng của thực vật
chuyển gen [8], [10], [11] Sơ đổ khái quát minh họa
mối liên quan giữa các công nghệ "-omics" được thể
hiện trong hình 1
Metabolomics còn cho phép các nhà nghiên cứu
điểu tra các cơ chế thích ứng của thực vật dưới ảnh
hưởng của các tác nhân có hại như hạn hán, nhiễm
mặn, nhiễm độc và nhiệt độ khắc nghiệt [5], [6],
[11] Để thích ứng với hoàn cảnh bất thường thực
vật thường tăng tổng hợp và tích lũy một số chất,
chẳng hạn như các polyol (bao gồm glỵcerol và
sorbitol), acid amin (đặc biệt là prolin), các hợp chất
nitơ bậc bốn (glycin betain), các hợp chất sulfonium
(dimethylsulfonopropionate), các hợp chất
polyphenol như phenylpraponoids, ílavonoids [5], [11], [12], Metabolomics cho phép xác định những thay đổi mức độ của các chất chỉ điểm quan trọng
và một loạt các chất chuyển hóa khác, cung cấp một cái nhìn tổng quan chính xác hơn vể phản ứng của thực vật khi bị stress Ví dụ: Kaplan và cộng sự [6] và Cook và cộng sự [3] đã xác định được những thay đổi trong trao đổi chất của cây Arabidopsis thaliana,
khi thích nghi với các điểu kiện nhiệt độ khác nhau Nghiên cứu đã cho thấy nhiệt độ thấp có ảnh hưởng lớn hơn trên chuyển hóa so với nhiệt độ cao Cũng trong nghiên cứu này, một số phản ứng thích nghi trước đó chưa biết đến khi thực vật phát triển ở nhiệt
độ lạnh đã được tìm thấy, bao gổm cả những biến đổi của các acid amin, các chất trung gian chu trình Krebs (TCA) và cả trên chuyển hóa carbohydrat Một nghiên cứu khác xác định sự biến đổi thành phẩn các chất chuyển hóa trên cây Arabidopsis thaliana dưới
tác dụng của benzothiadiazole, một chất chống nấm hay được sử dụng trong nông nghiệp, đã được Hien Dao và cộng sự [5] nghiên cứu cho thấy sự thay đổi
rõ rệt một số chất chuyển hóa như các chất glucose, glutamin, inositol, acid malic, sucrose, threonin tăng lên và sự thay đổi này bắt đẩu xuất hiện rõ 24 giờ sau khi cây được phun thuốc chống nấm
Metabolome và metabolomics còn được sử dụng nhiểu trong các nghiên cứu và phát triển dược liệu làm thuốc, ví dụ như taxol, một hoạt chất chống ung thư rất nổi tiếng trong cây Taxus baccata, đã gia tăng rõ rệt hàm lượng trong dòng
tế bào Taxus baccata nuôi trong phòng thí nghiệm (cell culture) dưới tác dụng của acid salicylic và siêu âm [7], Một nghiên cứu tương tự khác cũng
đã được tiến hành trên dòng tế bào rễ cây Dừa cạn (Catharanthus roseus) đã cho thấy sự biến đổi
rõ rệt thành phẩn các chất chuyển hóa của dòng
tế bào nghiên cứu sau 48 giờ khi được thêm acid salicylic vào môi trường nuôi Các chất biến đổi bao gồm đường, các acid amin, phenylpropanoids, tryptamin và đặc biệt đã xuất hiện một chất mới là 2,5-dihydroxybenzoic-5-0-glucosid [9] ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã có rất nhiểu nghiên cứu cho thấy dịch chiết toàn phẩn của dược liệu có tác dụng sinh học rất mạnh nhưng khi phân lập ra các hoạt chất tinh khiết thì tác dụng lại giảm đi nhiều
Trang 3Thuốc từ dưạc liệu Dịch chiết dược liệu
Dữ liệu genomics
Dữ liệu metabolomics
(VD Phổ NMR, LC MS HPLC )
Dấu vân tay hóa học có tính
chất nhận dạng cho:
•Loài thực vật
•Kiềm trá Chat liFỌ>ng
•Phát hiện các chất có hoạt
tinh sinh học
Dữ liệu proteomics
Các đặc điểm sinh học đặc trưng cho:
•Các tác dụng dược lý
•Co> chế tác dụng ờ cấp độ
phân tử và tế bào
? /; Mô hình nghiên cứu chát chuyến hóa liên quan đến tác dụng sinh học và các chỉ điểm sinh học.
Hiện tượng này đã được gọi tên là sự hiệp đồng tác
dụng của các thành phần hoạt chất trong dược liệu,
đặc biệt được thể hiện rõ nét trong việc sử dụng
thuốc cổ truyền, khi người thẩy thuốc bao giờ cũng
sử dụng cùng lúc nhiểu vị thuốc để điểu trị cho
người bệnh Để có thể nhìn nhận vấn để này một
cách tổng quan nhất thì công nghệ metabolomics
chính là một công cụ mạnh mà các nhà nghiên cứu
có thể sử dụng để giải quyết vấn để
Ta biết rằng các kết quả thu được ở các nghiên
cứu metabolomics trên thực vật này hoàn toàn có
thể ứng dụng trên các thực vật khác Điểu này giúp
các nhà nghiên cứu đưa ra được các giống cây trồng
tốt hơn, chịu hạn, chịu lạnh, cũng như cho hàm
lượng hoạt chất sinh học cao hơn
Hiểu được tẩm quan trọng cũng như khả nâng
ứng dụng rộng rãi của công nghệ metabolomics,
trên thế giới rất nhiều các trung tâm nghiên cứu
metabolomics cấp quốc gia đã được thành lập như
ở Mỹ, Châu Âu, Châu Á ở khu vực Đông Nam Á,
Singapore và Malaysia cũng đã xây dựng trung tâm
nghiên cứu chuyên sâu vể công nghệ metabolomics
Đây cũng chính là một hướng mà Việt Nam chúng
ta cũng cán phải sớm tiếp cận một cách toàn diện
và bài bản để có thể đem các ứng dụng của công nghệ metabolomics vào phục vụ nghiên cứu thực vật cũng như các nghành nghiên cứu khoa học khác như công nghệ thực phẩm, công nghệ tế bào động vật, bệnh học chuyển hóa
Kết luận ứng dụng các nghiên cứu chất chuyển hóa trong nghiên cứu thực vật là tất yếu và cẩn thiết Nhu cẩu của một thế giới mà dân số tiếp tục phát triển theo cấp số nhân, bệnh tật ngày càng gia tăng do các tác động của biến đổi khí hậu toàn cẩu, cùng nguổn tài nguyên nhiên liệu thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt, thì việc tạo ra được các loài cây trồng thích nghi tốt hơn với môi trường, cung cấp các thực phẩm có chất lượng cao, dược liệu có hàm lượng các hoạt chất sinh học lớn là một nhu cẩu cấp thiết Tất cả những vấn để này đều liên quan đến sự thay đổi trong quá trình trao đổi chất của thực vật Chất chuyển hóa là
Trang 4trung tâm của quá trình này, nhưng sự hiểu biết của
chúng ta về con đường trao đổi chất vẫn còn chưa
đầy đủ Trong vài năm qua, khoa học phân tích chất
chuyển đã có những bước phát triển mạnh mẽ Hiện
nay, cùng với sự phát triển của các cộng nghệ tiên
tiến, các nghiên cứu metabolomics đã có thể thực
hiện với độ phân giải tế bào và dưới mức tế bào, đem lại cho chúng ta rất nhiều cơ hội để hiểu rõ và làm chủ công nghệ metabolomics, mang công nghệ này ứng dụng vào nghiên cứu sản xuất ra các giống cây trổng đáp ứng được nhu cẩu và phục vụ lợi ích cho con người
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Bohnert, H.J., Nelson, D.E., and Jensen, R.G (1995), "Adaptations to environmental stresses", Plant Cell 7,1099 -1111.
2 Cellini, F., Chesson, A., Colquhoun, I., Constable, A., Davies, H.V., Engel, K.H., Gatehouse, A.M., Karenlampi, s., Kok, E.J., Leguay, J.J., Lehesranta, s., Noteborn, H.P., Pedersen, J., and Smith, M (2004), "Unintended effects and their detection in genetically modified crops",
Food Chem Toxicol 42,1089 -1125.
3 Cook, D., Fowler, s., Fiehn, 0., and Thomashow, F.M (2004), "A prominent role for the CBF cold response pathway in configuring the low-temperature metabolome of Arabidopsis", Proc Natl Acad Sci USA 5243 -15248.
4 Fiehn, 0 (2002), "Metabolomics - the link between genotype and phenotype", Plant Mol Biol, 48,155 -171.
5 Hien Dao, T.T., Puig, R.C., Kim, H.K., Erkelens, c., Lefeber, A.W.M., Linthorst, HJ.M., Choi, Y.H., and Verpoorte, R (2009), "Effect of benzothiadiazole on the metabolome of Arabidopsis thaliono", Plant Physiol Biochem 47,146-152.
6 Kaplan, F., Kopka, J., Haskell, W.D., Zhao, w., Schiller, C.K., Gatzke, N., Sung, Y.D., and Guy, LC (2004), "Exploring the ternperature-stress metabolome of Ambidopsis", Plont Physiol 136,4159 - 4168.
7 Khosroushahi, A.Y., Valizadeh, M., Ghasempour, A., Khosrowshahli M., Naghdibadi, H., Dadpour, M.R (2006), "Improved Taxol production by combination of inducing factors in suspension cell culture of Taxus boccata", Cell Biol Int 30,262 - 269.
8 Kuiper, HA, Kok, E.J., and Engel, K.H (2003), "Exploitation of molecular profiling techniques for GM food safety assessment", Curr Opin Biotechnol 14,238 - 243.
9 Mustafa, N R., Kim, H K., Choi, Y H., and Verpoorte, R (2009), "Metabolic changes of salicylic acid-elicited Catharanthus roseus cell
suspension cultures monitored by NMR-based metabolomics", Biotechnol Lett., 31,1967 -1974.
10 Oliver, S.G., Winson, M.K., Kell D.B., Baganz F (1998), "Systematic functional analysis of the yeast genome", Trends in Biotechnology
16,373-378.
11 Rischer, H., and Oksman-Caldentey, K.M (2006), "Unintended effects in genetically modified crops: revealed by metabolomics",
Trends Biotechnol 24,102 -104.
12 Urbanczyk-Wochniak, E., Baxter, c., Kolbe, A., Kopka, J., Sweetlove, LJ., and Fernie, A.R (2005), "Profiling of diurnal patterns of metabolite and transcript abundance in potato {Solanum tuberosum) leaves", Planta 221,891 - 903.
13 Villas-Boas, G.S., Roessner, u., Hansen, M., Smedsgaard, J., Nielsen, J (2007), Metabolome Analysis: An Introduction, John Wiley & Sons Inc, USA.