1

Tên nhiệm vụ: Phân lập và khảo sát các enzym methylketone synthase 2 (MKS2) mới từ một số thực vật thuộc họ Brassicaceae Solanaceae và Fabaceae

2

3

4

Mã số nhiệm vụ (nếu có):

5

Tên tổ chức chủ trì:

6

Cơ quan chủ quản:

7

Chủ nhiệm nhiệm vụ:

8

Danh sách cá nhân tham gia nhiệm vụ:

9

Mục tiêu nghiên cứu:

10

Tóm tắt nội dung nghiên cứu chính: Ở thực vật, con đường sinh tổng hợp acid béo diễn ra trong lạp thể, sử dụng năng lượng ánh sáng thu nhận từ quang hợp. Tuy nhiên, acid béo mang nhóm carboxyl với một vài đặc tính hóa lý như có tính ưa nước cao và có điểm nóng chảy cao khiến cho các acid béo ít phù hợp cho sử dụng làm nhiên liệu, đặc biệt là trong các động cơ đốt trong. Sự loại đi nhóm carboxyl là một giải pháp cho tình huống này (Schirmer et al., 2010). Gần đây, chúng tôi đã phát hiện ra rằng cây cà chua hoang dại Solanum habrochaites đã tiến hóa hai enzym có khả năng chuyển hóa chất trung gian của con đường sinh tổng hợp acid béo là 3-ketoacyl-ACP (còn gọi là β-ketoacyl-ACP) thành những hợp chất không có nhóm carboxyl nhưng mang một nhóm chức năng ketone ở nguyên tử carbon thứ hai (chính là carbon ở vị trí β trong nhóm acyl của tiền chất trung gian). Những hợp chất này, gọi chung là 2-methylketone (gọi tắt là methylketone), được tổng hợp nhiều trong lông tiết hiện diện ở lá và thân của cà chua hoang dại._x000d_ Methylketone từ lâu đã được biết đến là nhóm hợp chất tạo hương quan trọng trong công nghiệp sản xuất phomat và các sản phẩm từ sữa. Mặc dù người ta chưa phát hiện thấy tác động gây độc nào của methylketone trên người và gia súc, đã có một vài nghiên cứu chứng minh đây là nhóm hợp chất có tính kháng sâu (Antonious et al., 2004). Trong các cây trồng thuộc giống Solanum, methylketone được tổng hợp và dự trữ trong các lông tiết trên bề mặt lá. Khi sâu bọ tấn công cây trồng, các tuyến này vỡ ra và methylketone sẽ thoát ra. Bởi vì methylketone được biết là có tính kháng sâu mạnh, người ta tin rằng cây trồng tổng hợp methylketone là để kháng lại sâu hại. Cho đến nay cà chua hoang dại Solanum habrochaites là loài duy nhất trong nhóm Solanum được biết có khả năng tổng hợp nhiều methylketone. Lông tiết của S. habrochaites có nhiều enzym MKS1 và MKS2 nên loài này có khả năng tổng hợp và tích lũy đến 8mg methylketone / gram trọng lượng lá tươi. Ngược lại, cà chua thuần hóa Solanum lycopersicum tổng hợp rất ít methylketone, tuy nhiên những gen mã hóa cho protein tương đồng với ShMKS2 vẫn hiện diện ở loài này, được đặt tên lần lượt là SlMKS2a, SlMKS2b và SlMKS2c. Tế bào vi khuẩn E. coli biểu hiện tái tổ hợp những gen SlMKS2 này cũng tổng hợp methylketone, chủ yếu là 2-undecanone._x000d_ Gần đây, methylketone bắt đầu thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu năng lượng sinh học vì đây là nhóm hợp chất có trị số kích nổ cetan cao (58.4), hứa hẹn sẽ là lựa chọn mới trong sản xuất nguồn năng lượng có thể tái sinh. Sự khám phá ra các enzyme methylketone synthase từ cà chua hoang dại đã khơi mào cho những nghiên cứu sử dụng vi sinh vật biểu hiện những gen này để sản xuất methylketone ở quy mô công nghiệp. Park và các cộng sự (2012) đã đưa con đường sinh tổng hợp methylketone ở thực vật vào tế bào vi khuẩn E.coli bằng cách tạo ra chủng vi khuẩn E.coli siêu biểu hiện hai gen ShMKS2 và ShMKS1._x000d_ ShMKS2 xúc tác sự thủy phân liên kết thioester của 3-ketoacyl-ACP và hoạt động hiệu quả nhất trên cơ chất 3-ketomyristoyl-ACP (C14) và 3-ketolauroyl-ACP (C12) tạo thành 3-ketoacid tương ứng là 3-ketomyristic acid (C14) và 3-ketolauric acid (C12). ShMKS1 xúc tác sự decarboxyl hóa các 3-ketoacid được tạo thành bởi ShMKS2, vì vậy methylketone được tổng hợp trong lông tiết của cà chua hoang dại cũng như trong dịch môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli siêu biểu hiện ShMKS2 và ShMKS1 chủ yếu bao gồm 2-tridecanone (C13) và 2-undecanone (C11). Đây là hai methylketone có chỉ số kích nổ cetane cao, tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của chúng cũng tương đối cao là một điều bất lợi cho đặc tính của nhiên liệu nhiệt lạnh. Các methylketone có sườn carbon mang một liên kết đôi có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với methylketone có sườn carbon bão hòa với cùng chiều dài chuỗi. Do đó, các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các đặc tính của nhiên liệu bằng cách điều chỉnh chiều dài chuỗi hoặc mức độ không bão hòa của sườn carbon của các hợp chất methylketone được tổng hợp đang được quan tâm._x000d_ Mục tiêu của đề tài này là phân lập và khảo sát các gen mã hóa cho các enzym MKS2 mới từ một số loài cây lương thực và cây thực phẩm. Kết quả đề tài sẽ cung cấp cho chúng ta những enzym MKS2 mới, trong đó mỗi MKS2 mới có thể sẽ sử dụng hiệu quả nhất một cơ chất 3-ketoacyl-ACP khác nhau về chiều dài chuỗi hoặc mức độ không bão hòa của sườn carbon. Các enzym này sẽ cần cho sự tổng hợp 3-ketoacid có sườn carbon tương tự với sườn carbon của cơ chất và sau đó sự decarboxyl hóa các 3-ketoacid này sẽ tạo ra đa dạng các methylketone có sườn carbon n-1 tương ứng, đáp ứng tiềm năng ứng dụng rộng rãi của nhóm hợp chất methylketone trong bảo vệ thực vật, trong công nghiệp tạo hương và trong lĩnh vực sản xuất năng lượng sinh học._x000d_ Trong đề tài này, cây lương thực và cây thực phẩm được chọn làm nguồn nguyên liệu để phân lập các gen MKS2 mới. Nhóm cây này thường có hình thái cấu tạo riêng như mềm mỏng, yếu ớt, dễ bị sâu và nấm bệnh xâm nhập gây hại. Phần lớn các bộ phận của hầu hết các loài cây lương thực và cây thực phẩm có chứa nhiều chất dinh dưỡng mà ở một số cây trồng khác không có nên chúng được côn trùng ưa thích. Hơn nữa, cây lương thực và cây thực phẩm đa số là cây ngắn ngày, sinh trưởng tập trung, phát triển nhanh, và có một số loại cho thu hoạch nhiều đợt trong một vụ. Bởi vậy những cây này thường có nhiều loại sâu bệnh gây hại và phá tập trung trong thời gian ngắn, mang tính chất hủy diệt khiến công tác phòng trừ trở nên khó khăn hơn. Nhiều sản phẩm của cây thực phẩm có thể được dùng ở dạng tươi sống nên việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học trong quá trình trồng và thu hoạch sẽ không an toàn cho người dùng. Việc khám phá ra các gen mới mã hóa cho các protein tương đồng với ShMKS2 ở một số loài cây lương thực và thực phẩm sẽ tạo tiền đề cho những nghiên cứu trong tương lai về khảo sát mô hình biểu hiện của những gen MKS2 này trong các mô, cơ quan khác nhau vào các giai đoạn phát triển khác nhau của cây, khảo sát tác động cảm ứng của các yếu tố gây stress ngoài môi trường (ví dụ như sự tấn công của sâu hại) đến sự biểu hiện của gen MKS2, đến hàm lượng và thành phần methylketone được tổng hợp nhằm tối ưu hóa vai trò của gen MKS2 trong sự đối kháng với sâu bệnh của các loài cây lương thực và cây thực phẩm._x000d_ Với mục tiêu trên, đề tài này bao gồm những nội dung nghiên cứu chính sau đây:_x000d_ - Phân tích thành phần methylketone được tổng hợp bởi một số loài cây lương thực và cây thực phẩm như lúa miến Sorghum bicolor, cà chua bi Solanum pimpinellifolium, đậu tương Glycine max, dưa leo Cucumis sativus, cây họ đậu Medicago truncatula, Khoai tây Solanum tuberosum, Khoai lang Ipomoea batatas, Cà tím Solanum melongena, Ớt Capsicum annuum, Cải Brassica rapa…_x000d_ - Dựa trên cơ sở dữ liệu trình tự bộ gen và dữ liệu EST đã được công bố cho một số loài cây lương thực và cây thực phẩm, sử dụng các công cụ và phần mềm trong sinh tin và các kỹ thuật sinh học phân tử như tạo dòng dựa trên sự tương đồng (homology-based cloning), 5’RACE, 3’RACE và RT-PCR… để phân lập các gen mã hóa cho enzym methylketone synthase 2 (MKS2) từ các loài cây kể trên._x000d_ - Tạo dòng, biểu hiện các protein MKS2 mới trong tế bào E.coli. _x000d_ - Khảo sát hoạt tính 3-ketoacyl-ACP thioesterase của các protein enzym MKS2 mới phân lập._x000d_ Các gen MKS2 được phân lập có thể được dùng trong kỹ thuật cải biến (metabolic engineering) thực vật và vi sinh sau này, mở rộng khả năng ứng dụng của enzyme MKS2 trong cải tiến khả năng đối kháng với sâu hại của cây trồng (cây trồng chuyển gen) và trong sản xuất công nghiệp các hóa chất có thể tái sinh (biorenewable chemicals). Chúng ta có thể hình dung việc cải biến di truyền nhằm đưa gen này vào những cây trồng như cà chua để chúng có khả năng tổng hợp một lượng lớn methylketone trong lông tiết trước hết nhằm tăng khả năng đáp ứng tự vệ của cây và sau khi quả cà chua đã được thu hái, các vật liệu sinh dưỡng có thể được thu hoạch như một nguồn cung cấp methylketone để sản xuất nhiên liệu sinh học. Trong tương lai xa, những bài học từ cây cà chua chuyển gene có thể được áp dụng để cải biến sự tổng hợp methylketone trong các loài cây lương thực và cây thực phẩm khác. Mục tiêu dài hạn của chúng tôi là hướng tới việc trồng cây xanh có khả năng thu nhận năng lượng ánh sáng để tổng hợp và tích lũy các hợp chất methylketone giàu năng lượng và có thể sẵn sàng cho sản xuất nhiên liệu như một phương cách sử dụng năng lượng theo hướng bền vững.

11

Lĩnh vực nghiên cứu: Thực vật học

12

Mục tiêu kinh tế xã hội của nhiệm vụ:

13

Phương pháp nghiên cứu:

14

Sản phẩm khoa học và công nghệ dự kiến:

15

Địa chỉ và quy mô ứng dụng dự kiến:

16

Thời gian thực hiện: 0 tháng (từ đến )

17

Kinh phí được phê duyệt: 1000 triệu đồng
trong đó:

18

Quyết định phê duyệt: số ngày 01 tháng Tháng 1 năm 1970

19

Hợp đồng thực hiện: số ngày 01 tháng Tháng 1 năm 1970