Bất chấp những tiến bộ vượt bậc trong khoa học hiện đại, thực vật vẫn không có đối thủ trong khả năng sản xuất các hợp chất hóa học tự nhiên phức tạp.

"Thực vật là những nhà hóa học giỏi nhất, chúng liên tục nâng cấp kho vũ khí các hợp chất tự nhiên của mình qua hàng triệu năm để giúp chúng tồn tại," Björn Hamberger, tác giả nghiên cứu và là Giáo sư tại Khoa Hóa sinh và Sinh học phân tử của Đại học Michigan (MSU) cho biết.

Phòng thí nghiệm Hamberger tại MSU đã nghiên cứu các ancaloit diterpenoid trong cây phi yến, còn được gọi là delphinium vì hoa của nó có hình dạng giống cá heo.

Các ancaloit diterpenoid có cấu trúc phức tạp đến mức các nhà khoa học đã phải mất hàng thập kỷ để hiểu chính xác cách thực vật tạo ra chúng.

Aconitine, một trong những hợp chất quen thuộc nhất trong nhóm này đã được phân lập cách đây gần 200 năm. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa tổng hợp thành công nó trong phòng thí nghiệm.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Tomáš Pluskal tại Viện Hàn lâm Khoa học Séc cũng đang nghiên cứu nhóm ancaloit diterpenoid khó phân hủy trong cây phụ tử, một loài cây chứa độc chất nổi tiếng thuộc họ mao lương.

Sau khi hợp tác, nhóm nghiên cứu quốc tế bắt đầu xác định trình tự chính xác các bước sinh hóa được cây phụ tử và cây phi yến sử dụng để tạo ra các ancaloit diterpenoid.

Các nhà nghiên cứu đã theo dõi hàng ngàn gen để tìm kiếm những gen được "kích hoạt" trong các mô phù hợp vào đúng thời điểm để tạo ra các ancaloit diterpenoid.

Nhìn chung, thực vật tạo ra các chất chuyển hóa chuyên biệt với số lượng rất nhỏ và tốc độ chậm.

Khi các nhà nghiên cứu giải mã được con đường sinh hóa tổng hợp, họ có thể chuyển các chỉ dẫn di truyền để tạo ra một hợp chất vào vật chủ được thiết kế đặc biệt, chẳng hạn như nấm men.

Hình thức can thiệp sinh học này có thể biến vật chủ thành một hệ thống sản xuất sinh học, cho phép nó sản xuất một lượng lớn hơn chất hóa học mong muốn để phục vụ cho việc nghiên cứu và phát triển tiếp theo.

Sau khi xác định được một tập hợp gen đầy triển vọng từ cây phụ tử và cây phi yến, các nhà nghiên cứu đã chuyển những chỉ dẫn di truyền đó vào cây thuốc lá. Cây thuốc lá đóng vai trò như một nhà máy sống để kiểm tra xem các gen này có thể tái tạo quá trình hóa học của cây hay không.

Phân tích cho thấy các cây thuốc lá biến đổi gen đã hình thành nên con đường sinh hóa mà nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm. 6 loại enzyme đã phối hợp với nhau để sản xuất atisinium, một loại alkaloid diterpenoid.

Các enzyme đã giúp định hình phân tử thành cấu trúc cuối cùng phức tạp. Chúng cũng cho phép bổ sung một nguồn nitơ thiết yếu mà các nhà nghiên cứu không ngờ tới.

Bằng cách xác định các bước sinh hóa đầu tiên cần thiết để tạo ra atisinium, các nhà khoa học đã có được một điểm khởi đầu quan trọng để nghiên cứu rộng hơn về họ ancaloit diterpenoid và các đặc tính dược lý tiềm năng hữu ích của nó.

"Mục đích của chúng tôi là cung cấp các công cụ xanh, bền vững cho phép chúng ta khai thác sức mạnh tự nhiên của những loài thực vật này," Hamberger nói.