Nghiên cứu các gene methylketone synthase 2 (MKS2) ở cây cà tím Solanum melongena - NCS. Khuất Lê Uyên Vy

Tên đề tài: Nghiên cứu các gene methylketone synthase 2 (MKS2) ở cây cà tím Solanum melongena
Ngành: Hóa sinh học
Mã số ngành: 62 42 01 16
Họ tên nghiên cứu sinh: Khuất Lê Uyên Vy
Khóa đào tạo: 2014-2017 (đợt 2)
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thị Hồng Thương và PGS.TS. Phạm Thị Ánh Hồng
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG.HCM
1. Tóm tắt nội dung luận án
Methylketone synthase 2 (MKS2), hay còn được gọi là acyl-lipid thioesterase (ALT) là enzyme tham gia trong con đường sinh tổng hợp 2-methylketone ở lông tiết cà chua dại Solanum habrochaites subsp. glabratum. Enzyme MKS2/ALT xúc tác phản ứng thủy phân liên kết thioester của β-ketoacyl-ACP (hợp chất trung gian trong con đường sinh tổng hợp acid béo) tạo thành β-ketoacid. Các β-ketoacid tiếp tục bị khử nhóm carboxyl bởi methylketone synthase 1 (MKS1) hoặc nhiệt độ cao trong môi trường acid để tạo thành 2-methyketone. Tùy thuộc vào chiều dài chuỗi, các hợp chất 2-methylketone có nhiều vai trò và ứng dụng khác nhau. Ở thực vật, 2-methylketone có tác dụng xua đuổi và tiêu diệt côn trùng. Ngoài ra, 2-methylketone còn được sử dụng làm hương liệu trong công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm; và là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Luận án này được thực hiện nhằm mục tiêu thu nhận các thông tin dữ liệu về đặc điểm cấu trúc và chức năng của các gene mã hóa MKS2/ALT ở cà tím Solanum melongena. Kết quả của luận án góp phần làm sáng tỏ hơn vai trò và sự đa dạng của các gene mã hóa MKS2/ALT ở họ Solanaceae. Trong nghiên cứu này, với sự hỗ trợ của các công cụ tin sinh học kết hợp với kỹ thuật sinh học phân tử chúng tôi đã đã phân lập được ba gene (SmMKS2-1, SmMKS2-2 và SmMKS2-3) mã hóa MKS2/ALT từ S. melongena. Gene SmMKS2-1 biểu hiện phiên mã ở tất cả các mô, trong đó biểu hiện trội nhất ở mô lá già và mô quả, biểu hiện thấp nhất ở mô thân và rễ. Gene SmMKS2-2 biểu hiện cao nhất ở mô hoa và hầu như không biểu hiện hoặc biểu hiện rất yếu ở các mô khác. Gene SmMKS2-3 chỉ được phát hiện ở mô quả. Khi cây cà tím bị gây tạo vết thương cơ học hoặc xử lý với phytohormone MeJA hay MeSA, gene SmMKS2-1 được cảm ứng tăng biểu hiện phiên mã tại mô lá, trong khi sự biểu hiện của SmMKS2-2 và SmMKS2-3 trong lá không bị tác động bởi các yếu tố trên. Khi được cảm ứng biểu hiện trong tế bào E. coli C41(DE3), enzyme SmMKS2-1 và SmMKS2-2 đều thể hiện hoạt tính thioesterase và tạo ra sản phẩm chính là β-ketoacid 14:1. Trong đó, lượng β-ketoacid 14:1 được tích lũy trong dịch nuôi cấy chủng E. coli C41(DE3) biểu hiện SmMKS2-2 là 62,49 ± 9,168 µg/đơn vị OD và cao hơn khoảng 37 lần so với lượng β-ketoacid 14:1 được tích lũy trong dịch nuôi cấy chủng E. coli C41(DE3) biểu hiện SmMKS2-1. Riêng SmMKS2-3 không thể hiện hoạt tính thioesterase khi được biểu hiện trong tế bào E. coli C41(DE3). Các enzyme MKS2/ALT đã được khảo sát chức năng ở thực vật, bao gồm cả SmMKS2-1, SmMKS2-2 và SmMKS2-3 trong nghiên cứu này đều chứa aspartate bảo tồn cần thiết cho hoạt tính xúc tác của các thioesterase mang gấp cuộn “hot-dog” đơn. Sự thay thế aspartate bằng glutamate (amino acid có cấu tạo tương đồng nhất với aspartate) đã làm mất hoàn toàn hoặc phần lớn hoạt tính enzyme SmMKS2-2. Điều này cho thấy aspartate bảo tồn đóng vai trò thiết yếu đối với sự thể hiện hoạt tính thioesterase của các MKS2/ALT.
2. Những kết quả mới của luận án
Cà tím S. melongena có 3 gene methylketone synthase 2, bao gồm SmMKS2-1, SmMKS2-2 và SmMKS2-3. Các gene này được phân lập và gửi vào ngân hàng gene với mã số truy cập lần lượt là MK990608, MK990609 và MK990610.
SmMKS2-1 biểu hiện phiên mã trong tất cả các mô (lá, thân, rễ, hoa và quả), trong khi đó SmMKS2-2 và SmMKS2-3 chủ yếu biểu hiện phiên mã tương ứng ở hoa và quả.
SmMKS2-1 được cảm ứng biểu hiện phiên mã tại mô lá của cây cà tím bởi quá trình gây tạo vết thương cơ học hoặc xử lý với MeJA hay MeSA, còn SmMKS2-2 và SmMKS2-3 thì không.
Khi được biểu hiện trong E. coli C41(DE3), SmMKS2-1 và SmMKS2-2 thể hiện hoạt tính thioesterase trên cơ chất cơ chất β-ketoacyl-ACP khác nhau để tạo ra các β-ketoacid bão hòa và không bão hòa tương ứng, trong đó sản phẩm chính được tạo thành là β-ketoacid 14:1. SmMKS2-2 có phổ cơ chất hẹp hơn nhưng hoạt tính trên các cơ chất này lại cao hơn so với SmMKS2-1.
SmMKS2-3 không thể hiện hoạt tính thioesterase khi được biểu hiện trong vi khuẩn E. coli C41(DE3).
Aspartate đóng vai trò thiết yếu quyết định hoạt tính thioesterase của SmMKS2-2. Sự thay thế aspartate bằng glutamate đã làm mất hoàn toàn hoặc phần lớn hoạt tính thioesterase.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Việc phân lập các gene MKS2/ALT từ cà tím S. melongena đã góp phần làm phong phú hơn bộ sưu tập các gene MKS2/ALT từ thực vật, tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu phát triển các giống cây trồng và các chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp các acid béo và hợp chất dẫn xuất (2-methylketone) có khung carbon như mong muốn một cách có định hướng và hiệu quả, phù hợp với những ứng dụng khác nhau của nhóm hợp chất này.
Luận án cho thấy tính khả thi của việc áp dụng kết hợp tin sinh học, các phương pháp sinh học phân tử và phân tích sinh hóa để phát hiện, phân tích chức năng của các gene mới, đặc biệt là các gene có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các hợp chất thứ cấp có giá trị, vốn không dễ dàng được sản xuất bằng con đường tổng hợp hóa học.