Chất chuyển hóa ứng dụng nghiên cứu thực vật Đào Thị Thanh Hiền TrườngĐạihọcDượcHàNội 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) khái niệm để cập đến năm gẩn đây, nghiên cứu tổng thể toàn diện có hệ thống chất chuyển hóa tất cấp độ metabolome Các chất chuyển hóa (tổn thay đổi theo thời gian) kết trình biến đổi phức tạp tế bào Metabolome thuật ngữ đề cập đến phức hợp bao gồm toàn chất chuyển hóa có trọng lượng phân tử nhỏ (như chất chuyển hóa trung gian, hormon, phân tử mang tín hiệu ) mẫu sinh phẩm, tế bào hay hệ thống sinh học (system biology) Các chất chuyển hóa (metabolites) định nghĩa bao gồm chất chuyển hóa trung gian, sản phẩm trình trao đổi chất, chất chuyển hóa sơ cấp thứcấp [10], [12], [13] Thuật ngữ metabolomics lẩn đẩu tiên để cập đến vào năm 1990 [8] Có thể nói chất chuyển hóa thước đo cuối đường chuyển hóa sinh học đại diện cho chức năng, trạng thái tế bào đại diện "-omics" khác (proteomics, genomics) Rất nhiểu kĩ thuật phân tích sử dụng nghiên cứu metabolomics nhưcác kĩ thuật sắc kí: sắc kí khí, sắc kí mao quản, sác kí lỏng hiệu cao, hay kĩ thuật phức hợp như; sắc kí khí - khối phổ, sắc kí lỏng - khối phổ; kĩ thuật nhận dạng chất như: phổ cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối [5], [8], [12], [13] Các kĩ thuật phối hợp thực để đo lường, phát hàng trăm đến hàng nghìn chất hóa học đặc hiệu không kĩ thuật đơn lẻ đủ mạnh để giải vấn để nghiên cứu metabolomics cách độc lập Ngoài ra, đường chuyển hóa nhiểu đểu có tương đồng loài động thực vật khác nhau, tạo điều kiện cho phép ngoại suy kết nghiên cứu động vật phòng thí nghiệm với người hay từ loài thực vật sang loài thực vật khác [2], [8], [10], [11], Để có câu trả lời xác phân tích metabolomics ta cẩn phải thu thập đẩy đủ sở liệu với yêu cẩu sau: -Đặc hiệu khách quan, - Phân lập chất phân tích, - Phát chất, - Nhận biết định lượng chất Nghiên cứu chất chuyển hóa ứng dụng rộng rãi ngành khoa học khác nhau, đặc biệt nghiên cứu thực vật Bài viết trình bày số tổng quan vể ứng dụng nghiên cứu chất chuyển hóc! (metabolomics) nghiên cứu vể thực vật ứng dụng metabolomics nghiên cứu thực vật Chất chuyển hóa thực vật đa dạng phong phú, đến đă có 200.000 chất đâ nghiên cứu phát [4] Công nghệ metabolomics có nhiều tiềm nghiên cứu chất chuyển hóa thực vật, bao gồm nghiên cứu vể phát triển, biến đổi kiểu hình liên quan đến gen, phân tích kiểu gen sinh học hệ thống [2], [10] Bên cạnh công nghệ metabolomics sử dụng cho việc phát xác định chất điểm bị bệnh, strees, hay sau biến đổi di truyền [1], Trong hai mươi năm qua, kỹ thuật di truyền đả có nhiều tiến vượt bậc, đưa gene nội gene ngoại lai vào thực vật nhằm tạo thực vật chuyển gene, với mục đích để làm tăng, giảm loại bỏ hoạt động gene Để đánh giá ảnh hưởng gen chuyển nhà nghiên cứu cần phải định tính, định lượng biến đổi thực vật chuyển gen thông qua công nghệ metabolomics, công nghệ "-omics" khác proteomics transcriptomics Các công nghệ sử dụng để phát tác động biến đổi gen thực vật điểu kiện phát triển bình thường bị strees, từ cho phép ước lượng đánh giá nguy nhưtiểm thực vật chuyển gen [8], [10], [11] Sơ đổ khái quát minh họa mối liên quan công nghệ "-omics" thể hình Metabolomics cho phép nhà nghiên cứu điểu tra chế thích ứng thực vật ảnh hưởng tác nhân có hại hạn hán, nhiễm mặn, nhiễm độc nhiệt độ khắc nghiệt [5], [6], [11] Để thích ứng với hoàn cảnh bất thường thực vật thường tăng tổng hợp tích lũy số chất, chẳng hạn polyol (bao gồm glỵcerol sorbitol), acid amin (đặc biệt prolin), hợp chất nitơ bậc bốn (glycin betain), hợp chất sulfonium (dimethylsulfonopropionate), hợp chất polyphenol phenylpraponoids, ílavonoids [5], [11], [12], Metabolomics cho phép xác định thay đổi mức độ chất điểm quan trọng loạt chất chuyển hóa khác, cung cấp nhìn tổng quan xác vể phản ứng thực vật bị stress Ví dụ: Kaplan cộng [6] Cook cộng [3] xác định thay đổi trao đổi chất Arabidopsis thaliana, thích nghi với điểu kiện nhiệt độ khác Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ thấp có ảnh hưởng lớn chuyển hóa so với nhiệt độ cao Cũng nghiên cứu này, số phản ứng thích nghi trước chưa biết đến thực vật phát triển nhiệt độ lạnh tìm thấy, bao gổm biến đổi acid amin, chất trung gian chu trình Krebs (TCA) chuyển hóa carbohydrat Một nghiên cứu khác xác định biến đổi thành phẩn chất chuyển hóa Arabidopsis thaliana tác dụng benzothiadiazole, chất chống nấm hay sử dụng nông nghiệp, Hien Dao cộng [5] nghiên cứu cho thấy thay đổi rõ rệt số chất chuyển hóa chất glucose, glutamin, inositol, acid malic, sucrose, threonin tăng lên thay đổi bắt đẩu xuất rõ 24 sau phun thuốc chống nấm Metabolome metabolomics sử dụng nhiểu nghiên cứu phát triển dược liệu làm thuốc, ví dụ taxol, hoạt chất chống ung thư tiếng Taxus baccata, gia tăng rõ rệt hàm lượng dòng tế bào Taxus baccata nuôi phòng thí nghiệm (cell culture) tác dụng acid salicylic siêu âm [7], Một nghiên cứu tương tự khác tiến hành dòng tế bào rễ Dừa cạn (Catharanthus roseus) cho thấy biến đổi rõ rệt thành phẩn chất chuyển hóa dòng tế bào nghiên cứu sau 48 thêm acid salicylic vào môi trường nuôi Các chất biến đổi bao gồm đường, acid amin, phenylpropanoids, tryptamin đặc biệt xuất chất 2,5-dihydroxybenzoic-5-0-glucosid [9] Việt Nam giới có nhiểu nghiên cứu cho thấy dịch chiết toàn phẩn dược liệu có tác dụng sinh học mạnh phân lập hoạt chất tinh khiết tác dụng lại giảm nhiều Thuốc từ dưạc liệu Dịch chiết dược liệu Dữ liệu genomics Dữ liệu metabolomics (VD Phổ NMR, LC MS HPLC ) Dữ liệu proteomics Dấu vân tay hóa học có tính chất nhận dạng cho: •Loài thực vật •Kiềm trá Chat liFỌ>ng •Phát chất có hoạt tinh sinh học Các đặc điểm sinh học đặc trưng cho: •Các tác dụng dược lý •Co>chế tác dụng cấp độ phân tử tế bào ? /; Mô hình nghiên cứu chát chuyến hóa liên quan đến tác dụng sinh học điểm sinh học Hiện tượng gọi tên hiệp đồng tác dụng thành phần hoạt chất dược liệu, đặc biệt thể rõ nét việc sử dụng thuốc cổ truyền, người thuốc sử dụng lúc nhiểu vị thuốc để điểu trị cho người bệnh Để nhìn nhận vấn để cách tổng quan công nghệ metabolomics công cụ mạnh mà nhà nghiên cứu sử dụng để giải vấn để Ta biết kết thu nghiên cứu metabolomics thực vật hoàn toàn ứng dụng thực vật khác Điểu giúp nhà nghiên cứu đưa giống trồng tốt hơn, chịu hạn, chịu lạnh, cho hàm lượng hoạt chất sinh học cao Hiểu tẩm quan trọng khả nâng ứng dụng rộng rãi công nghệ metabolomics, giới nhiều trung tâm nghiên cứu metabolomics cấp quốc gia thành lập Mỹ, Châu Âu, Châu Á khu vực Đông Nam Á, Singapore Malaysia xây dựng trung tâm nghiên cứu chuyên sâu vể công nghệ metabolomics Đây hướng mà Việt Nam cán phải sớm tiếp cận cách toàn diện để đem ứng dụng công nghệ metabolomics vào phục vụ nghiên cứu thực vật nghành nghiên cứu khoa học khác công nghệ thực phẩm, công nghệ tế bào động vật, bệnh học chuyển hóa Kết luận ứng dụng nghiên cứu chất chuyển hóa nghiên cứu thực vật tất yếu cẩn thiết Nhu cẩu giới mà dân số tiếp tục phát triển theo cấp số nhân, bệnh tật ngày gia tăng tác động biến đổi khí hậu toàn cẩu, nguổn tài nguyên nhiên liệu thiên nhiên ngày cạn kiệt, việc tạo loài trồng thích nghi tốt với môi trường, cung cấp thực phẩm có chất lượng cao, dược liệu có hàm lượng hoạt chất sinh học lớn nhu cẩu cấp thiết Tất vấn để liên quan đến thay đổi trình trao đổi chất thực vật Chất chuyển hóa trung tâm trình này, hiểu biết đường trao đổi chất chưa đầy đủ Trong vài năm qua, khoa học phân tích chất chuyển có bước phát triển mạnh mẽ Hiện nay, với phát triển cộng nghệ tiên tiến, nghiên cứu metabolomics thực với độ phân giải tế bào mức tế bào, đem lại cho nhiều hội để hiểu rõ làm chủ công nghệ metabolomics, mang công nghệ ứng dụng vào nghiên cứu sản xuất giống trổng đáp ứng nhu cẩu phục vụ lợi ích cho người TÀI LIỆU THAM KHẢO Bohnert, H.J., Nelson, D.E., and Jensen, R.G (1995), "Adaptations to environmental stresses", Plant Cell 7,1099 -1111 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 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 Fiehn, (2002), "Metabolomics - the link between genotype and phenotype", Plant Mol Biol, 48,155 -171 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 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 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 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 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  .. .dụng nghiên cứu chất chuyển hóc! (metabolomics) nghiên cứu vể thực vật ứng dụng metabolomics nghiên cứu thực vật Chất chuyển hóa thực vật đa dạng phong phú, đến đă có 200.000 chất đâ nghiên cứu. .. ứng dụng công nghệ metabolomics vào phục vụ nghiên cứu thực vật nghành nghiên cứu khoa học khác công nghệ thực phẩm, công nghệ tế bào động vật, bệnh học chuyển hóa Kết luận ứng dụng nghiên cứu. .. metabolomics thực vật hoàn toàn ứng dụng thực vật khác Điểu giúp nhà nghiên cứu đưa giống trồng tốt hơn, chịu hạn, chịu lạnh, cho hàm lượng hoạt chất sinh học cao Hiểu tẩm quan trọng khả nâng ứng dụng