Phát hiện enzyme mới trong vi khuẩn ruột có thể thay đổi nghiên cứu prebiotic

Bối cảnh nghiên cứu

Trong những năm gần đây, hệ vi sinh đường ruột (gut microbiome) được xem là “cơ quan ẩn” có ảnh hưởng sâu rộng đến tiêu hóa, miễn dịch, chuyển hóa và thậm chí sức khỏe thần kinh. Một trong những cách quan trọng để hỗ trợ hệ vi sinh là thông qua prebiotic — các hợp chất không bị tiêu hóa bởi cơ thể nhưng nuôi dưỡng vi khuẩn có lợi.

Nhiều prebiotic hiện nay thuộc nhóm glycan — các chuỗi carbohydrate phức tạp chứa đường như galactose. Tuy nhiên, cấu trúc của glycans rất đa dạng và nhiều loại vẫn chưa được hiểu rõ về chức năng. Để khai thác tiềm năng của chúng, các nhà khoa học cần xác định các enzyme có khả năng phân giải hoặc tổng hợp các glycan đặc biệt này.

Một nghiên cứu mới từ Tokyo University of Science đã phát hiện một enzyme chưa từng được mô tả trước đây trong vi khuẩn đường ruột người, có khả năng tác động lên một loại glycan hiếm gọi là β-1,2-galactooligosaccharide — hợp chất được cho là có tiềm năng prebiotic.

Glycan và enzyme đóng vai trò gì?

Glycans là các phân tử dạng “đường phức” tham gia vào nhiều quá trình sinh học như cấu trúc tế bào, tín hiệu miễn dịch và nuôi dưỡng vi khuẩn có lợi. Một số galactoside — glycan chứa galactose — có mặt trong thành tế bào thực vật, vi sinh vật và cả trong thực phẩm chế biến như sữa bột hay đồ uống bổ sung.

Các enzyme như β-galactosidase giúp cắt liên kết trong các chuỗi đường này để giải phóng galactose, cho phép vi khuẩn sử dụng chúng làm nguồn năng lượng. Tuy nhiên, mỗi enzyme thường chỉ nhận diện một kiểu liên kết hóa học cụ thể, nên việc tìm ra enzyme mới là chìa khóa để hiểu và khai thác các glycan chưa được nghiên cứu.

Phát hiện enzyme mới từ Bacteroides xylanisolvens

Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Masahiro Nakajima dẫn đầu đã xác định một gene trong vi khuẩn đường ruột Bacteroides xylanisolvens mã hóa một enzyme β-galactosidase mới, được đặt tên theo mã gene Bxy_22780.

Ban đầu enzyme này không cho thấy hoạt tính với các galactoside tự nhiên. Tuy nhiên, khi nhóm nghiên cứu thay đổi điều kiện phản ứng và sử dụng các chất nền đặc biệt, họ phát hiện enzyme có thể tạo ra β-1,2-galactobiose, xác nhận khả năng tác động lên liên kết β-1,2 — một dạng liên kết hiếm.

Phân tích động học cho thấy enzyme hoạt động hiệu quả với β-1,2-galactobiose và β-1,2-galactotriose. Nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X tiết lộ enzyme có vùng gắn đặc biệt giúp nhận diện chính xác các chuỗi đường này, giải thích tính chọn lọc cao.

Ý nghĩa đối với sức khỏe và công nghiệp

Phát hiện này mở ra nhiều hướng ứng dụng tiềm năng:

Phát triển prebiotic thế hệ mới: Enzyme có thể được dùng để sản xuất số lượng lớn glycans đặc biệt nhằm nuôi dưỡng hệ vi sinh có lợi.

Hiểu rõ hơn cơ chế tiêu hóa carbohydrate phức: Giúp làm sáng tỏ cách vi khuẩn đường ruột xử lý các hợp chất chưa được nghiên cứu.

Ứng dụng trong thực phẩm chức năng và dinh dưỡng: Có thể tạo ra sản phẩm hỗ trợ tiêu hóa hoặc cải thiện hệ vi sinh.

Tiềm năng y học: Các glycan tương tự cũng xuất hiện ở một số ký sinh trùng, nên enzyme này có thể hỗ trợ nghiên cứu thuốc, ví dụ trong bệnh Chagas.

Điều cần lưu ý

Hiện chưa có bằng chứng trực tiếp cho thấy β-1,2-galactooligosaccharides chắc chắn có tác dụng prebiotic ở người. Do đó, cần thêm nghiên cứu lâm sàng để xác nhận lợi ích sức khỏe và đánh giá an toàn.

Kết luận

Việc phát hiện enzyme Bxy_22780 là bước tiến quan trọng trong việc khám phá “kho báu chưa được khai phá” của glycans trong ruột người. Bằng cách mở khóa các cấu trúc đường hiếm, nghiên cứu này có thể thúc đẩy sự phát triển của prebiotic mới, đồng thời tạo nền tảng cho các ứng dụng trong dinh dưỡng, công nghệ sinh học và y học.

Nguồn

Yutaka Nakazawa, Masumi Kageyama, Tomohiko Matsuzawa, Ziqin Liang, Kaito Kobayashi, Hisaka Shimizu, Kazuki Maeda, Miho Masuhiro, Sei Motouchi, Saika Kumano, Nobukiyo Tanaka, Kouji Kuramochi, Hiroyuki Nakai, Hayao Taguchi, Masahiro Nakajima. Structure and function of a β-1,2-galactosidase from Bacteroides xylanisolvens, an intestinal bacterium. Communications Biology, 2025; 8 (1) DOI: 10.1038/s42003-025-07494-1