Theo Tạp chí khoa học uy tín Biotechnology and Bioengineering, mới đây các nhà nghiên cứu tới từ Đại học Illinois (Mỹ) đã phát triển một kỹ thuật sàng lọc dựa trên khối phổ mới giúp sàng lọc nhanh các axit béo chuỗi trung bình được tạo ra trong nấm men, một phần của nhóm axit béo tự do - thành phần quan trọng trong các chất dinh dưỡng thiết yếu, xà phòng, hóa chất công nghiệp và nhiên liệu. Nhóm cũng đã xác định được bảy đột biến gen mới của nấm men Saccharomyces cerevisiae có hàm lượng axit béo cao hơn.
Kỹ thuật sàng lọc nhanh MALDI-ToF MS hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng rộng rãi giúp ngành công nghệ sinh học phát triển bền vững
Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư hóa học và kỹ thuật phân tử sinh học Huimin Zhao, nghiên cứu về mặt di truyền học các tế bào nấm men nhỏ nhằm tăng sinh axit béo, một thành phần quan trọng trong dầu diesel sinh học, rượu, sáp và olefin (chất thiết yếu trong các loại hóa chất chất tẩy rửa, kết dính và nhựa). Mục tiêu nhằm phát triển các loại men có thể chuyển đổi sinh khối thực vật thành nhiên liệu và hóa chất. Đây được xem là một giải pháp thay thế bền vững và thân thiện môi trường cho các quy trình sản xuất hóa chất dựa trên dầu mỏ.
Theo đó, các nhà khoa học tạo ra một thư viện lớn các chủng nấm men biến đổi gen, hoặc đột biến, nhằm tạo nhiều MCFA khác nhau. Vấn đề nằm ở chỗ khả năng kiểm soát chính xác thành phần MCFAs trong sản xuất tế bào vi sinh vật này bị hạn chế, không thể nhanh chóng phân tích số lượng mẫu lớn.
Để khắc phục hạn chế này, nhóm đã cộng tác với các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư hóa học Jonathan Sweedler, nhằm phát triển một công cụ sàng lọc dựa trên MALDI-ToF MS (phương pháp định danh vi khuẩn nhanh bằng nguyên lý khối phổ - Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time-of-Flight).
Hầu hết các quy trình hiện có phát hiện hoặc phân tích các axit béo tự do dựa trên phương pháp sắc ký-khối phổ khí hoặc lỏng phức tạp hơn, được coi là phương pháp tiêu chuẩn. Nhưng những phương pháp này có những hạn chế khi xử lý một lượng lớn các biến thể và việc chuẩn bị mẫu tốn nhiều thời gian và công sức.
Cách tiếp cận tổng thể sử dụng hệ thống MALDI-ToF MS nhanh hơn và đã thành công với các protein và peptit. Máy phân tích khối lượng ToF nhanh, chi phí tương hợp lý và hiệu quả, phù hợp cho sàng lọc các mục tiêu sinh học phức tạp.
Nhưng các axit béo chuỗi trung bình rất dễ bay hơi và nhẹ nên khó phát hiện và định lượng. Cộng thêm việc thành tế bào nấm men khá dày cũng là một thách thức khác cho các nhà nghiên cứu.
Vì vậy, đội ngũ nghiên cứu đã đã tối ưu hóa các bước chuẩn bị mẫu với nhiều dung môi và chất nền khác nhau bằng cách sử dụng một proxy màng lipid trong tế bào nấm men. Họ đưa ra giả thuyết rằng sự gia tăng mức độ lipid màng với phosphatidylcholine chuỗi acyl ngắn hơn (PC), một loại phospholipid, sẽ tương quan với khả năng sản xuất MCFAs lớn hơn, có chiều dài ngắn hơn các axit béo dồi dào thường thấy trong S. cerevisiae.
Để xác thực giả thuyết đó, các nhà khoa học đã so sánh cấu hình MALDI-ToF MS của nấm men tự nhiên với hai chủng biến đổi gen được tìm thấy trước đây. Dữ liệu cho thấy hai đột biến này có nhiều chuỗi acyl phosphatidylcholine (PC) ngắn hơn so với nấm men tự nhiên. Các quy trình sắc ký lỏng và khối phổ phân mảnh chính xác đã khẳng định điều này.
Với phương pháp sàng lọc này, nhóm tìm ra nhiều chủng đột biến có sản lượng MCFAs cao hơn. Hai trong số phát hiện có tương quan với các phospholipid, một dấu hiệu của các axit béo.
Theo giáo sư Sweedler phương pháp này có thể phân tích tới 2.000 khuẩn nấm men mỗi giờ (khoảng 2s/mẫu) so với 30 phút/mẫu theo phương pháp truyền thống. Thời gian xử lý cũng được rút ngắn đáng kể, từ 2-3 phút/mẫu so với 3-4 giờ/mẫu.
Nhìn chung công cụ sàng lọc MALDI-ToF MS cho phép các nhà khoa học nhanh chóng xác định các chủng cần phân tích chi tiết.
Trong tương lai, phương pháp này sẽ được cải tiến và ứng dụng để sàng lọc các loại sản phẩm khác với hiệu suất cao và chi phí tiết kiệm, như axit béo chuỗi dài hoặc glycerol.
Các nhà nghiên cứu hiện đang xúc tiến công việc để tạo ra một hệ thống robot nhằm giúp tăng tốc độ chuẩn bị mẫu và cho ra kết quả nhanh, chính xác hơn, giúp mở rộng quy mô dự án. Với khoảng 6.000 gen S. cerevisiae, hàng triệu tác dụng và tính năng khác sẽ được phát hiện.
Ngoài khoa học, các axit béo từ C6 đến C12 này rất quan trọng với con người, như cung cấp axit béo Omega-3.
Theo giáo sư Xue, nếu có thể trực tiếp tạo ra nhiên liệu sinh học và sản phẩm sinh học axit béo từ các tế bào vi sinh vật như nấm men thì con người không cần sử dụng tới xăng dầu. Và như vậy có nghĩa là tiết kiệm được hàng tỷ đô và nền sản xuất thân thiện với môi trường hơn.
An Nhiên biên dịch
Đăng nhập
