1

Sản xuất các hợp chất thứ cấp từ nuôi cấy tế bào thực vật
Nguyễn Hoàng Lộc
Viện Tài nguyên, Môi trường và Công nghệ sinh học, Đại học Huế

1. Các hợp chất thứ cấp thực vật
Thực vật là nguồn cung cấp các hợp chất dùng làm dược liệu hoặc phụ gia thực phẩm
có giá trị. Những sản phẩm này được biết như là các chất trao đổi thứ cấp, thường được hình
thành với một lượng rất nhỏ trong cây và chức năng trao đổi chất chưa được biết đầy đủ.
Chúng dường như là sản phẩm của các phản ứng hóa học của thực vật với môi trường hoặc là
sự bảo vệ hóa học chống lại vi sinh vật và động vật. Những nghiên cứu về các hợp chất thứ
cấp có nguồn gốc thực vật đã phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỷ 20 (Rao và cs 2002).
Các chất trao đổi thứ cấp có thể xếp trong ba nhóm chính là alkaloid, tinh dầu và glycoside.
Các alkaloid có dạng tinh thể là các hợp chất chứa nitrogen, có hoạt tính sinh lý trên
tất cả động vật và được sử dụng trong công nghiệp dược. Họ alkaloid bao gồm: codein,
nicotine, caffeine và morphine. Một số loài thực vậ
- - (họ
Solanaceae). Người ta thường gặp trong một cây tập hợp các alkaloid có cấu trúc hóa học gần
giống nhau. Đôi khi toàn câ
- -
(họ
Taxaceae).
dụng lên mạch máu (hydrastin, ephedrin...), một số khác tác dụng
dụng làm thuốc chữa bệnh (Misawa, 1994).
Các tinh dầu chứa hỗn hợp terpenoid, được sử dụng như chất mùi, chất thơm và dung
môi. Giống như những
, ví dụ monoterpene
chứa 2 đơn vị isoprene, sesquiterpene chứa 3 đơn vị isoprene, diterpene chứa 4 đơn vị
isoprene (Lee 2001).
Các glycoside bao gồm các hợp chất phenol và flavonoid, saponin và các cyanogenic

Bên cạnh nuôi cấy tế bào huyền phù, nuôi cấy callus (trên môi trường rắn) có ưu điểm
là thao tác thí nghiệm đơn giản, dễ vận chuyển mẫu nhưng nhược điểm là thể tích nuôi cấy bé
nên khó phát triển ở quy mô công nghiệp, mẫu nuôi cấy chỉ tiếp xúc được một mặt với nguồn
dinh dưỡng, những sản phẩm do mẫu nuôi cấy tạo ra trong quá trình trao đổi chất sẽ tích tụ
xung quanh dẫn đến làm chậm sự sinh trưởng của tế bào. Vì thế, nuôi cấy tế bào huyền phù
thích hợp hơn cho việc sản xuất sinh khối tế bào thực vật vì có thể duy trì và thao tác tương tự
với các hệ thống lên men vi sinh vật ngập chìm trong môi trường lỏng.

3. Sự tích lũy các hợp chất thứ cấp trong tế bào thực vật
Sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ sinh học trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật giúp
nhân giống các cây trồng có giá trị và tách chiết các hóa chất quý hiếm mang lại nhiều ý nghĩa
về mặt thương mại. Phương pháp này sẽ mở rộng và tăng khả năng thu hồi các hóa chất giá trị
có nguồn gốc thực vật, một sự thay thế từ quy mô nông nghiệp truyền thống lên quy mô công
nghiệp trong sản xuất các hợp chất thứ cấp (Dicosmo và Misawa 1995). Kỹ thuật nuôi cấy tế
bào được khởi xướng từ cuối những năm 60 của thế kỷ 20 như là một công cụ hữu ích để
nghiên cứu và sản xuất hợp chất thứ cấp thực vật. Kỹ thuật này được phát triển với mục tiêu
cải thiện hiệu suất các sản phẩm có hoạt tính sinh học. Ưu điểm của chúng là có thể cung cấp
sản phẩm một cách liên tục và đáng tin cậy dựa trên những lý do sau: (1) tổng hợp các hợp
chất thứ cấp có giá trị diễn ra dưới sự điều khiển các yếu tố môi trường nuôi cấy, độc lập với
khí hậu và điều kiện đất trồng; (2) phủ định ảnh hưởng sinh học đến các sản phẩm là hợp chất
thứ cấp trong tự nhiên (vi sinh vật và côn trùng); (3) có thể chọn lọc các giống cây trồng cho
nhiều loại hợp chất thứ cấp khác nhau; (4) với việc tự động hóa điều khiển sự sinh trưởng của
3

tế bào và điều hòa quá trình chuyển hóa, chi phí có thể giảm và lượng sản phẩm tăng lên. Bên
cạnh đó, những kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy nuôi cấy tế bào huyền phù của thực vật
cũng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm protein tái tổ hợp (Fisher và cs 1999).
Trong nuôi cấy tế bào, việc chọn lựa cẩn thận các tế bào có khả năng phát triển và điều
kiện nuôi cấy tối ưu sẽ giúp tăng khả năng tích lũy một vài sản phẩm ở mức cao hơn. Để thu
được hiệu suất cao cho khai thác thương mại, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác

Sự kích kháng bảo vệ thực vật (elicitation). Thực vật sản xuất các hợp chất thứ cấp
trong tự nhiên như một bộ máy bảo vệ chống lại các yếu tố gây bệnh. Chất kích kháng bảo vệ
thực vật (elicitor) báo hiệu việc hình thành các hợp chất thứ cấp. Sử dụng các elicitor của bộ
máy bảo vệ cây, tức sự kích kháng bảo vệ thực vật, là phương thức để thu được các sản phẩm
hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học một cách hiệu quả nhất. Sử dụng các elicitor sinh học
và phi sinh học (được phân loại dựa trên nguồn gốc của chúng) để kích thích hình thành các
4

hợp chất thứ cấp trong quá trình nuôi cấy tế bào, có thể giúp rút ngắn thời gian và đạt hiệu suất
cao (DiCosmo và Tallevi, 1985).

4. Ứng dụng nuôi cấy tế bào thực vật trong sản xuất các hoạt chất sinh học
Những năm gần đây, thuốc truyền thống trở thành một đề tài quan trọng mang tính
toàn cầu. Mặc dù ở các nước phát triển người ta thường sử dụng tân dược trong điều trị nhưng
các loại thuốc có nguồn gốc thảo mộc vẫn được dùng phổ biến do yếu tố lịch sử và văn hóa.
Theo các đánh giá về mặt khoa học, nhiều loài thảo mộc có thể ứng dụng trong y học. Vấn đề
đặt ra là vùng sinh trưởng của cây thuốc đang biến mất nhanh chóng do sự không ổn định của
điều kiện môi trường và các yếu tố khác. Như vậy, thật khó có một nguồn nguyên liệu đủ lớn
để tách chiết các hợp chất thứ cấp dùng trong dược phẩm. Điều này cảnh báo cho ngành công
nghiệp cũng như các nhà khoa học cần tính đến tiềm năng của kỹ thuật nuôi cấy tế bào thực
vật như một sự thay thế khác để cung cấp nguyên liệu cho nguồn dược phẩm này. Bảng 2 giới
thiệu sản phẩm của một số cây dược liệu quan trọng đã được sản xuất từ nuôi cấy callus và tế
bào huyền phù (Mulbagal and Tsay 2004).
Ngay từ năm 1971, Wani và các cộng sự đã tìm ra một diterpene amide mới có khả
năng chống ung thư gọi là “taxol” chiết từ cây thông đỏ Pacific (Taxus brevifolia). Đến năm
1983, taxol được Cục quản lý Dược phẩm và Thực phẩm Hoa Kỳ (FDA) đồng ý đưa vào thử
nghiệm ở giai đoạn I điều trị cho ung thư buồng trứng. Sau đó, FDA đã cho phép sử dụng
taxol trong điều trị các trường hợp ung thư buồng trứng và ung thư vú. Ngoài ra, taxol cũng có
tác dụng đối với các bệnh nhân có khối u ác tính, ung thư phổi và các dạng u bướu khác
(Wickremesinhe và Arteca 1993 và 1994), và nó được xem như là chất đầu tiên của một nhóm

Glucose là nguồn carbon tốt hơn saccharose và fructose về hiệu quả sản xuất imperatorin. Vai
trò của elicitor cũng đã được khảo sát, bổ sung thêm vanadyl sulphate trong môi trường sẽ
tăng tích lũy imperatorin, quyết định nồng độ và thời gian sinh trưởng của tế bào. Bổ sung
vanadyl sulphate ở nồng độ 30 mg/L vào môi trường đã cho hiệu quả tốt nhất sau 10 ngày
nuôi cấy. Hoặc bổ sung 20 g/L chất hấp phụ amberlite XAD-7 vào môi trường, quá trình tổng
hợp imperatorin cũng tăng mạnh ở ngày nuôi cấy thứ 10. Hàm lượng imperatorin sản xuất bởi
phương thức này đạt 460 µg khối lượng tươi cao hơn đối chứng 140 lần.
Berberine là một isoquinoline alkaloid có trong hệ rễ của cây Coptis japonica và vỏ
của cây Phellondendron amurense. Berberine chloride được sử dụng để chữa bệnh rối loạn
tiêu hóa. Để thu được nguyên liệu thô từ rễ cây Coptis phải mất 5-6 năm. Yamada và Sato
(1981) C. japonica. Sau
đó, công ty hóa dầu Mitsui (Nhật Bản) đã cải thiện được năng suất bằng cách thêm 10
-8
M
gibberellic acid vào môi trường, hiệu suất rất nhiều tới 1,66 g/L (Misawa
1994).
Rễ của cây Panax ginseng, một loại thảo dược lâu năm còn gọi là nhân sâm được sử
dụng rộng rãi như một vị thuốc bổ, một dược phẩm quý giá, có tác dụng chữa bệnh rối loạn
tiêu hóa, bệnh đái đường,
sapogenin khác nhau. Trong đó, ginsenoside-Rb có hoạt tính an thần, còn Rg có hoạt tính kích
thích. Từ 1973, Furuya và cs đã nuôi cấy mô callus P. ginseng để phân lập saponins và
sapogenins. Năm 1994, Choi bắt đầu nghiên cứu nuôi cấy P. ginseng trên quy mô công
nghiệp. Đến nay, đây là một trong các đối tượng được các nhà khoa học trên thế giới tập trung
nghiên cứu nhiều nhất.
Merkli và cs (1997) đã nuôi cấy rễ tơ của cây Trigonella foenum-graecum bằng cách
gây nhiễm chủng A
4
của Agrobacterium rhizogenes. Các rễ tơ này đã sản xuất diosgenin, một
spirostanol quan trọng cho sự bán tổng hợp (semi-synthesis) của các hormone steroid. Hàm
lượng diosgenin thu được cao nhất là 0,040 % khối lượng khô gần gấp 2 lần so với các rễ