Công nghệ sinh học ( phần 2 )
Hợp chất Flavonoid trong thực vật có hoa
“Các hợp chất flavonoid là một trong những yếu tố quyết định màu sắc
của hoa. Quá trình sinh tổng hợp flavonoid là một quá trình biến dưỡng
tổng hợp tự nhiên đã được nghiên cứu một cách rất sâu rộng. Theo đó,
hợp chất flavonoid được sinh tổng hợp theo con đường sinh tổng hợp
phenylpropanoid, chính là con đường tổng hợp thứ cấp chủ yếu trong tất
cả thực vật bật cao. Hầu hết các enzyme cũng như các đoạn gene tương
ứng cần thiết cho quá trình trên đều đã được nghiên cứu cụ thể; trong số
đó nhiều protein đã được tinh thể hóa và phân tích cấu trúc.”

Hoa hồng xanh được sản xuất tại công ty Florigene từ việc ứng dụng
thành tựu của kỹ thuật di truyền trong sắc tố hoa. Hình ảnh sử dụng
trong minh họa được sự cho phép từ Tiến sỹ T. Tanaka.
Loài người đã bị thu hút bởi màu sắc hoa có lẽ một thời gian rất dài, thậm
chí trước khi bắt đầu nền văn minh. Nhà triết học đời nhà Tống, Chu Tử
khuyên người dân trân trọng “hàng ngàn sắc tím với hàng ngàn sắc đỏ từ
những đóa hoa mùa xuân”. Hầu hết hàng ngàn sắc đỏ và sắc tím đó bắt
nguồn từ flavonoid, một nhóm sắc tố độc đáo nhưng là những sản phẩm
vô cùng phổ biến của quá trình biến dưỡng thứ cấp qua con đường
phenypropanoid.
Chức năng chủ yếu của flavonoid trong hoa là dùng để thu hút côn trùng
và các loài động vật khác giúp cho quá trình thụ phấn chéo. Cấu trúc và
sự kết hợp độc đáo của các flavonoid ở mỗi loài khác nhau tạo nên các
quang phổ cực tím và thông thường được nhìn thấy bởi các loài côn trùng
và động vật lớn hơn giúp gia tăng hiệu quả của việc thụ phấn và sự thụ
tinh của hoa. Flavonoid trong hoa còn giúp chống lại bức xạ cực tím và
có vai trò như một chất bảo vệ chống lại mầm bệnh giống như vai trò của
chúng ở những cơ quan khác của thực vật. Hơn nữa, trong nghiên cứu của
Van der Meer và cộng sự năm 1992 đã xác định được một nhóm các
flavonoid đóng vai trò quan trọng trong sự nảy mầm của hạt phấn, từ đó

chứng minh những sắc tố này có chức năng vô cùng quan trọng trong vai
trò chính yếu của hoa là sinh sản.
Cấu trúc của flavonoids gồm có bộ khung carbon C6-C3-C6 thường có
hai vòng thơm (vòng A và B) và một vòng carbon có một nguyên tử
oxygen. Sắc tố anthocyannins là một phân nhóm của flavonoid hiện diện
chủ yếu trong không bào của tế bào thực vật. Dựa vào các nhóm OH của
vòng B, có ba nhóm anthocyanin chính được tìm thấy trong thiên nhiên là
pelargonidin, cyanidin và delphinidin. Methyl hóa cyanidin và
delphinidin tạo ra thêm ba nhóm anthocyanin bổ sung nữa là peonidin,
petudin và malvidin.
Màu sắc của hoa được xác định bởi các yếu tố trong tế bào cũng như các
yếu tố điều khiển sự phân bố theo thời gian và không gian của các sắc tố
ở cấp độ mô – cơ quan thực vật. Trong các tế bào của cánh hoa, màu sắc
được điều hòa bởi ít nhất 6 yếu tố sau:
1. Sinh tổng hợp anthocyanin – là yếu tố quan trọng nhất;
2. Sinh tổng hợp các sắc tố khác như carotenoid và betalain;
3. Sự chuyển đổi các phân tử anthocyanin cơ bản trong các quá trình
hydro hóa, methyl hóa hoặc kết hợp;
4. Các sắc tố phụ như flavone và các ion kim loại;
5. Sự thay đổi của pH trong không bào;
6. Cấu trúc và đặc tính sinh hóa của các siêu phân tử sắc tố.
Tất cả yếu tố trên đều có khả năng thay đổi cường độ và quang phổ của
màu sắc hoa. Từ những năm đầu của thế kỷ 19 từ khi nhà di truyền học
Gregor Mendel coi màu hoa như là một marker trong các thí nghiệm di
truyền cổ điển của ông, sự khám phá flavonoid đã đóng góp rất to lớn cho
sự phát triển của nền sinh học hiện đại. Ngược lại sự phát triển của sinh
học hiện đại cũng giúp các nhà khoa học hiểu biết một cách sâu rộng
khoa học di truyền và sinh hóa của màu sắc hoa.
Sự glycosyl hóa protein ở Eukaryote
Các glycoprotein chiếm thị phần chính trên thị trường các protein dược

phẩm. Hầu hết các protein này đều được sản xuất bởi công nghệ protein
tái tổ hợp nhờ vào việc sử dụng các hệ thống biểu hiện như vi khuẩn, nấm
men, tế bào động vật. Hệ thống biểu hiện của nấm men và tế bào động vật
có nhiều ưu điểm trong sản xuất các protein tái tổ hợp.
Ở sinh vật nhân chuẩn, các protein thường được biến đổi sau quá trình
dịch mã, điều này có liên quan mật thiết đến hoạt tính của các protein. Sự
glycosyl hóa là sự biến đổi thông dụng nhất trong các hệ thống này và nó
cần thiết cho các chức năng của protein như sự nhận diện, sự truyền tín
hiệu, sự tương tác giữa các protein và tế bào. Vì vậy, bộ máy glycosyl
hóa của các hệ thống này là một vấn đề rất quan trọng mà chúng ta cần
phải hiểu khi biểu hiện một protein nào đó.
1. Các dạng glycosyl hóa protein
1.1. Glycosyl hóa protein ở vị trí N
Sự glycosyl hóa protein ở vị trí N là quá trình biến đổi sau dịch mã được
bảo tồn ở nấm men và các eukaryote khác. Glycosyl hoá ở vị trí N bắt
đầu từ mạng lưới nội chất (ER) với sự chuyển chuỗi oligosaccharide vào
vị trí asparagine của một protein [19,20]. Vị trí gắn bao gồm trình tự ba
axit amin là Asn-Xaa-Ser/Thr nơi mà vị trí thứ hai không phải là Pro.
Chuỗi oligosaccharide này chứa 3 phân tử đường glucose ở đuôi không
khử của cấu trúc lõi Man
9
GlcNAc
2
gắn vào protein và nó bị cắt bởi các
enzyme glucosidase của lưới nội chất và enzyme α-1,2 mannosidase và đi
vào bộ máy Golgi .
Cơ chế glycosyl hóa ở vị trí N:
- Glc
3
Man

9
GlcNAc
2
được tập hợp ở mạng lưới nội chất nhám và được
biến đổi thành Man
8
GlcNAc
2
.
- Sự cắt bỏ bớt các phân tử đường diễn ra trong Golgi bởi các enzyme
mannosidase tạo thành Man
5
GlcNAc
2
để tổng hợp các oligosaccharide
phức tạp hoặc hình thành các oligomannoside.
- Sự chuyển thành dạng đa anten phức tạp xảy ra ở thuỳ giữa của Golgi
và trans-Golgi, có hoặc không có đuôi sialic acid, và từ đó protein được
tiết ra môi trường ngoại bào.
1.2. Glycosyl hóa ở vị trí O
Sự glycosyl hóa ở vị trí O là việc tạo liên kết cộng hóa trị giữa một
monosaccharide với axit amin Ser hay Thr. Tính đặc hiệu của trình tự cho
thấy Glycosyl hoá ở vị trí O không quyết định sự gấp cuộn và tính tan của
protein. Dạng phổ biến của hiện tượng glycosyl hoá ở vị trí O ở người
thường xảy ra ở Golgi , liên quan tới sự chuyển GalNAc từ UDP-GalNAc
sang axit amin Ser hoặc Thr thông qua hoạt động của enzyme GalNAc
transferase kéo theo sự chuyển của hàng hoạt các phân tử đường khác
nhau như galactose, GalNAc, and N-GlcNAc, fucose, glucose, mannose,
hydroxyproline…



2. Sự glycosyl hóa protein ở tế bào động vật có vú
Các tế bào động vật có vú (như tế bào CHO, tế bào myeloma, tế bào
HEK) đang được ưa chuộng bởi vì bộ máy glycosyl hoá của chúng rất
giống ở người, mặc dù các phân tử đường được gắn vào protein không
hoàn toàn giống ở người, chúng vẫn được bán trên thị trường.
Các protein được glycosyl hóa ở vị trí N đều có cấu trúc nhánh chuẩn bao
gồm mannose, galctose, N-acetylglucosamine (GlcNAc) và axit
neuramic. Các protein được glycosyl hóa ở vị trí O thì bao gồm một số
lượng phân tử đường khác nhau bao gồm galactose, N-
acetylglucosamine, N-acetylgalactosamine, axit sialic và axit neuramic.
Kiểu mẫu glycosyl hóa các protein dược phẩm được sản xuất bởi hệ
thống tế bào động vật có vú là khác nhau và thay đổi theo từng mẻ. Vì
vậy, sự đa dạng này phải được kiểm tra lâm sàng và tiền lâm sàng. Trong
thực tế, các kiểu mẫu glycosyl hóa này có thể được thay đổi bằng cách tối
ưu hóa quy trình lên men, sử dụng các enzyme biến đổi, hoặc tạo ra
những hệ thống biểu hiện được làm giàu hoặc loại bỏ những dạng gắn
phân tử đường đặc biệt nào đó.
3. Sự glycosyl hóa protein ở hệ thống nấm men
Saccharomyces cerevisae and Pichia pastoris đang ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong việc sản xuất các glycoprotein dược phẩm bởi dễ thao
tác, dễ sản xuất với quy mô lớn, chi phí sản xuất thấp và chu kỳ sản xuất
ngắn. Một ưu điểm khác là chúng có khả năng tạo ra các kiểu mẫu
glycosyl hóa giống nhau và đã được hiểu rõ vai trò của phần
carbonhydrate.
Các protein được glycosyl hóa ở vị trí N trong S. cerevisiae có đặc điểm
phân nhánh rất nhiều và mang rất nhiều đường mannose. Trong khi các
protein được glycosyl hóa ở vị trí O chỉ bao gồm nhiều nhất là 5 phân tử
mannose.
Sự glycosyl hóa ở vị trí N trong Pichia hầu hết bao gồm chuỗi

ManGlcNAc, giống với kiểu glycosyl hóa protein điển hình trong tế bào
động vật có vú. In Pichia, the outer oligosaccharide chain of secreted
proteins is mostly unaltered and consists of Man
8
–9GlcNAc
2
. Mặc dù có
nhiều sự khác nhau về số lượng và độ phức tạp của sự kiểu glycosyl hóa
liên kết với N được thấy, nhưng chúng vẫn có chứa trình tự bảo tồn nhận
biết cho sự khởi đầu sự glycosyl hóa, Asn-Xaa-Ser/Thr.
Ở Pichia có sự gắn chuỗi oligosaccharide tại vị trí O nhưng nó không
phải là thành phần quan trọng của các glycoprotein tan. Sự gắn chuỗi
oligosaccharide chỉ bao gồm các phân tử mannose. Tuy nhiên, số lượng
mannose trên một chuỗi, các liên kết tạo ra, tần số và tính đặc hiệu của sự
glycosyl hóa ở vị trí O trong Pichia pastoris vẫn chưa xác định được.
Chúng ta không nên thừa nhận rằng một protein không bị glycosyl hóa ở
vị trí O trong tế bào chủ tự nhiên thì sẽ không bị glycosyl hóa
trong Pichia.
4. Các enzyme dùng cho nghiên cứu về glycoprotein
Các enzyme thường được sử dụng trong những nghiên cứu về cấu trúc
đường của các glycoprotein:
Enzyme Loại enzyme Sự đặc hiệu
Endoglycosidase
D

Endo Cắt các phân tử
glycan chứa
nhiều mannose
Endoglycosidase
F


Endo Cắt các phân tử
glycan chứa
nhiều mannose
Endoglycosidase
H

Endo Cắt các phân tử
glycan chứa
nhiều mannose
β-galactosidase

Exo Loại bỏ các
enzyme
galactosidase
khỏi Gal-β1, 5, 8,
9
3-GlcNAc; Gal-
β1,4-GlcNAc;
Galβ1,3 GalNAc

N-glycosidase F Endo

Các glycoprotein
giữa Asn và
GlcNAc
Stalidases
(Neuraminidases)

Exo NeuAc-α2,6-Gal;

NeuAc-α2,6-
GlcNAc; 2
or NeuAc-α2,3-
Ga

5. Kết luận
Glycosyl hóa là một quá trình phức tạp và đa dạng trong các sinh vật
nhân chuẩn. Vì vậy, nó không thể khái quát hóa theo những kiểu mẫu
glycosyl hóa chuẩn. Trước khi biểu hiện một protein tái tổ hợp, chúng ta
nên hiểu rõ hệ thống biểu hiện và phải nắm được mục đích sử dụng của
sản phẩm.
Các nhà khoa học đang cố gắng tạo ra các chủng vi sinh vật mới có khả
năng tổng hợp các glycoprotein với cấu trúc giống với khi chúng được
tổng hợp ở người. Gần đây, nhóm nghiên cứu của Roland Contreras ở
trường đại học Ghent, Bỉ và Tillman Gerngross ở trường Glycofi, Boston,
Mỹ đã báo cáo về việc tạo ra được chủng Pichia pastoris có khả năng sản
xuất protein với kiểu gắn mannose giống với ở con người. Nhóm nghiên
cứu này hy vọng sẽ có thể tạo ra được chủng Pichia pastoris có khả năng
tổng hợp được các protein hoàn toàn giống như chúng được tổng hợp ở
con người