“Portable biomolecular manufacturing” - Bước đột phá trong công nghệ sản xuất chế phẩm sinh học “di động”  


Chế phẩm sinh học (biological products, hay biologics) là những thành phẩm được sản xuất từ các đại phân tử sinh học như protein, acid nucleic (DNA, RNA), và dẫn chất của chúng. Các chất này chủ yếu có nguồn gốc tự nhiên (con người, động vật, và vi sinh vật) và được ứng dụng trong lĩnh vực y dược, cụ thể là trong phòng ngừa, chẩn đoán, và điều trị bệnh. Một số sản phẩm phổ biến trong nhóm này được xuất hiện trên thị trường như thuốc (ví dụ insulin), vắc-xin, máu và các sản phẩm từ máu, kháng sinh, kháng thể miễn dịch,… [1]. Mặc dù những chế phẩm này rất hữu dụng trong phòng và điều trị bệnh, nhưng do cấu trúc phức tạp, nên chúng rất kém bền trong điều kiện bảo quản tự nhiên, do đó thường được khuyến cáo bảo quản lạnh (4 °C). Bên cạnh đó, công nghệ sản xuất các sản phẩm này thường rất hiện đại, mỗi công đoạn bắt đầu từ việc nuôi cấy tế bào, đến chiết xuất hoạt chất, rồi tinh khiết hóa, và cuối cùng là đóng gói bảo quản, đều cần máy móc, thiết bị đắt tiền, và nhân công chất lượng cao. Vì vậy, cộng với việc vận chuyển trong điều kiện lạnh, làm giá thành của chúng tăng đột biến, và có thể trở thành gánh nặng cho các quốc gia đang phát triển.

Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Cell có thể sẽ mở ra một kỷ nguyên mới cho chế phẩm sinh học [2]. Các sản phẩm này có thể được sản xuất ngay tại chỗ, mọi lúc mọi nơi, chỉ bằng một thao tác đơn giản là thêm nước tinh khiết vào một nhúm bột. Bạn có tưởng tượng ra rằng chúng ta sẽ có vắc-xin, kháng sinh, hay insulin bất cứ lúc nào bạn cần.

Trước đây, để sản xuất chế phẩm sinh học, phương pháp phổ biến nhất là tái tổ hợp DNA đi từ vi khuẩn Escherichia coli (E.coli) [Hình 1]. Đầu tiên, một đoạn DNA chứa gene mã hóa cho protein đang quan tâm được phân lập từ tế bào, ví dụ của. Tiếp theo, đoạn DNA này được gắn vào DNA vòng (plasmid) của vi khuẩn E.coli. Lợi dụng quá trình phiên mã và dịch mã rất nhanh của E.coli (khoảng 24 giờ cho một chu kỳ tế bào), các sản phẩm protein cần thiết được sản xuất nhanh chóng. Cuối cùng, các protein này được chiết xuất và tinh chế từ môi trường nuôi cấy [3]. Tuy nhiên, quy trình này tương đối tốn kém cả về thời gian, công sức, và tiền bạc.

Hình 1: Quy trình sản xuất insulin từ E.coli bằng phương pháp tái tổ hợp DNA. Đoạn DNA chứa gen sản xuất insulin ở tế bào người được gắn với DNA vòng (plasmid) của vi khuẩn E.coli, và nhờ vi khuẩn này sản xuất lượng lớn insulin. Nguồn: [4]

Do đó, nhóm nghiên cứu của Giáo sư James J. Collins (viện MIT, Mỹ) [2] đã chiết xuất toàn bộ bào quan của vi khuẩn E.coli, bao gồm cả “nhà máy” sản xuất protein như nhân, ribosome, enzyme, mạng lưới nội chất,…, và sau đó áp dụng phương pháp đông khô (lyophilization, hay freeze-drying) để “làm khô” cả hệ thống “nhà máy” này thành dạng bột [Hình 2]. Tương tự, mảnh DNA chứa “mật mã” để mã hóa cho protein cần thiết cũng được đông khô thành bột. Đông khô là phương pháp làm khô (làm mất nước) sản phẩm thông qua quá trình thăng hoa nước từ trạng thái rắn (nước đá) trực tiếp sang trạng thái hơi (hơi nước) dưới áp suất và nhiệt độ thấp. Vì vậy, các sản phẩm đông khô thường rất bền trong điều kiện bảo quản thông thường. Hai loại bột này (một loại bột chứa “nhà máy” và một loại chứa DNA “mật mã”) có thể mang đi khắp nơi, tiện lợi, và dễ dàng. Khi cần sử dụng, bác sĩ chỉ cần hòa chúng vào một lượng nước thích hợp, mọi hoạt động sẽ diễn ra bên trong “nhà máy” và protein sản phẩm sẽ được tạo thành chỉ sau 1 đến 2 giờ. Do không có tế bào trong thành phần nên dung dịch có thể được dùng ngay cho bệnh nhân mà không sợ các vấn đề về miễn dịch như kích ứng, thải loại, và phản ứng quá mẫn.

Hình 2: Tóm lược về phương pháp sản xuất chế phẩm sinh học “di động”. “Nhà máy” sản xuất (bào quan từ E.coli) và đoạn DNA chứa gen mã hóa sản phẩm mong muốn được đông khô và bảo quản ở điều kiện thường. Khi cần “sản xuất”, bác sĩ chỉ cần cho trộn lẫn hai thành phần trên với nước. Nguồn: [2]

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thành công phương pháp này để sản xuất thuốc, kháng sinh, vắc-xin, và các phân tử chuyển hóa. Trong tương lai, hy vọng đây sẽ là một giải pháp hữu hiệu cho việc bảo quản, vận chuyển, và phân phối các chế phẩm sinh học. Đồng thời, giá thành của các sản phẩm này sẽ được điều chỉnh lại, phù hợp hơn với các quốc gia đang phát triển.

Tác giả: Phạm Duy Toàn (NCS, Đại học Naresuan, Thái Lan)

Phản biện: Lê Hoàng (NCS, Đại học Quốc gia Seoul, Hàn Quốc)

Tài liệu tham khảo

1. FDA (2016) What is a biological product? http://www.fda.gov/AboutFDA/Transparency/Basics/ucm194516.htm, accessed 29.09.2016

2. Keith Pardee et al. (2016) Portable, On-Demand Biomolecular Manufacturing. Cell 167:248–259

3. Patten CL et al. (2009) Molecular Biotechnology: Principles and Applications of Recombinant DNA. Washington, D.C: ASM Press.

4. Basic principles of r-DNA technology (2016), http://amazingbiotech.blogspot.com/2014/05/basic-principles-of-r-dna-technology.html, accessed 29.09.2016

Tags: 
Category: