Rong biển hay còn gọi là Tảo bẹ, là thực vật đa bào có khả năng sinh sống trong cả hai môi trường nước mặn và nước lợ. Rong biển được phân thành ba nhóm là tảo đỏ (Rhodophyta), tảo nâu (Phaeophyceae) và tảo xanh (Chlorophyta), dựa trên màu sắc của chúng (Wijesinghe & Jeon, 2012). Rong biển thường sống trên vách đá của các rặng san hô hoặc ven biển (Lewis, 1964). Có khoảng 25.000 - 30.000 loài rong biển với nhiều kích cỡ khác nhau, trong đó tảo nâu là nhóm có kích thước lớn và đa dạng nhất (Santos và cộng sự, 2015, Hoek và cộng sự, 1995).
Theo nghiên cứu, trong thành phần của rong biển rất nhiều dưỡng chất, trong đó hàm lượng protein cao khoảng 38 - 51% và carbohydrate chiếm khoảng 45% - 70%. Carbohydrate là thành phần chính trong rong biển bao gồm các hợp chất hoạt tính sinh học cao như alginate, fucoidan và laminarin (Sakatoku và cộng sự, 2012). Vì vậy, rong biển là nguồn carbon tốt cho sự phát triển của vi sinh vật bao gồm vi khuẩn và xạ khuẩn. Rong biển còn là nguồn sản xuất nhiều chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm chất chống oxy hóa, thuốc chống đông máu, chất kháng khuẩn, và chất chống ung thư (Manilal và cộng sự, 2009). Chúng có thể được coi là nguồn nguyên liệu tự nhiên tiềm năng để sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học ứng dụng công nghiệp như thực phẩm chức năng và sản phẩm dinh dưỡng.
Hình 1: Rong đỏ, rong xanh và rong nâu
Sự phong phú, đa dạng của rong biển tại Nam Úc
Nam Úc đã được xem là một điểm nóng về đa dạng sinh học rong biển (Lorbeer và cộng sự, 2017; Phillips, 2001), do có đặc trưng bờ biển trải dài, nước sạch và khí hậu thuận lợi dẫn đến sự phát triển phong phú của rong biển (Lorbeer và cộng sự, 2013). Được biết, 62% trong số 1200 loài rong biển có nguồn gốc từ Nam Úc mà không tìm thấy ở bất cứ nơi nào khác trên thế giới (APCAP, 2012). Tuy nhiên, ngành công nghiệp rong biển ở Nam Úc hiện đang bị hạn chế, với phần lớn rong biển thu hoạch được sử dụng làm sản phẩm có giá trị thấp như phân bón (Lorbeer và cộng sự, 2013). Rong biển chứa các polysaccharide có giá trị cao, đặc biệt là alginate và fucoidan với tiềm năng ứng dụng trong thực phẩm chức năng, mỹ phẩm và dược phẩm. Tuy nhiên, sự phát triển nghiên cứu còn hạn chế đối với nguồn nguyên liệu thiên nhiên độc đáo này.
Hình 2: Thu nhặt rong biển tại vịnh Rivoli, Beachport, Nam Úc.
Xạ khuẩn – nguồn sản xuất enzyme có chức năng phân cắt mạch polysaccharide từ rong biển
Xạ khuẩn (Actinobacteria) phân lập từ các mẫu biển được biết đến là một trong những nhóm vi khuẩn quan trọng. Cho đến nay một trong những chi của xạ khuẩn có số lượng loài lớn nhất được xác định là Streptomyces. Dhanasekaran (2012) cho biết, sau kháng sinh, enzyme là sản phẩm quan trọng nhất của Streptomyces. Do đó, Streptomyces không chỉ được dùng để sản xuất kháng sinh có giá trị cao mà cũng là nguồn sản xuất các enzyme quan trọng trong công nghiệp như amylase, cellulase, gelatinase, caseinase, chitinase và lipase (Bredholt và cộng sự, 2008; Gulve & Deshmukh, 2012; Kumar và cộng sự, 2012; Ramesh & Mathivanan, 2009). Những enzyme này có thể được áp dụng chung trong công nghệ sinh học và đặc biệt là trong lĩnh vực dinh dưỡng và y sinh (Nawani và cộng sự, 2013).
Trong những năm gần đây, xạ khuẩn có nguồn gốc từ biển đã được nghiên cứu để sản xuất các enzyme phân giải polysaccharide của tảo biển như alginate lyase và fucoidanase (Zhang & Kim, 2010). Trong đó, alginate lyase thu hồi từ các chủng vi sinh vật biển đã được phát triển để khám phá các cấu trúc polyme mới của alginate cho các ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp và y tế (Zhang & Kim, 2010).
Hình 3: Phân lập xạ khuẩn từ rong biển đang trong quá trình phân huỷ bằng nhiều loại môi trường.
Sàng lọc, tinh sạch và nghiên cứu đặc tính của loại alginate lyase mới sinh tổng hợp từ xạ khuẩn
Enzyme thủy phân polysaccharide đã đóng một vai trò quan trọng trong khám phá chức năng sinh học của các oligosaccharide. Mặc dù đã có nhiều báo cáo về enzyme có nguồn gốc từ vi sinh vật có công dụng cắt mạch polysaccharide từ rong biển nhưng nghiên cứu về các enzyme được sinh tổng hợp từ xạ khuẩn thì còn rất hạn chế. Nghiên cứu trong luận văn là tiến hành sàng lọc, tinh sạch và nghiên cứu đặc tính các enzyme từ xạ khuẩn được nuôi cấy trong môi trường rong biển để tìm ra loại enzyme mới có khả năng phân hủy polysaccharide của rong biển.
Tám mươi chủng xạ khuẩn được phân lập từ rong biển đang trong quá trình phân hủy. Chúng được sàng lọc về khả năng sinh tổng hợp enzyme thuỷ phân alginate có trong rong biển. Các chủng DS40, DS44 và DS79 được giải mã trình tự genome và được định danh là Streptomyces griseorubens, Streptomyces luridiscabiei và Streptomyces sundarbansensis. Chúng có khả năng sinh tổng hợp enzyme có hoạt tính thuỷ phân alginate cao nhất khi chúng được nuôi trong môi trường dinh dưỡng có bổ sung 2% bột rong biển Bull Kelp. Alginate lyase DS40, DS44 và DS79 đã được tinh sạch bằng cách kết hợp phương pháp sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel. Hoạt độ của enzyme sau khi tinh sạch là 67.75 U/mg (DS40 alginate lyase), 108.6 U/mg (DS44 alginate lyase) và 103.4 U/mg (DS79 alginate lyase). Những enzyme này có trọng lượng phân tử khoảng 29 kDa và đoạn gen của chúng gồm 780 bp, mã hóa cho 259 loại axit amin. DS44 và DS79 alginate lyase thể hiện hoạt tính thuỷ phân cao đối với cả mạch polyguluronate và polymannuronate. pH tối ưu của cả hai enzyme là 8,5 và nhiệt độ tối ưu là 45oC và 55oC đối với DS44 và DS79 alginate lyase. Chúng thuộc nhóm enzyme có khả năng chịu mặn cao và nồng độ muối tối ưu bổ sung vào để tăng hoạt tính enzyme là 0,6 M. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các ion kim loại Mn2+, Co2+ và Fe2+ làm tăng xúc tác thuỷ phân alginate. Ngược lại, hoạt tính enzyme bị ức chế với sự có mặt của Zn2+ và Cu2+. Phân tích ESI-MS cho thấy rằng các sản phẩm chính của quá trình thuỷ phân là disaccharide, trisaccharide và tetrasaccharide, chứng tỏ rằng các enzyme này thuộc loại endo-alginate lyase. Trình tự axit amin của DS44 có sự khác biệt 10% với so với một loại lyase alginate từ xạ khuẩn đã được báo cáo, chứng tỏ rằng DS44 alginate lyase được sinh tổng hợp từ Streptomyces luridiscabiei có thể là một loại enzyme mới.