Nghiên cứu thành phần hóa học cao acetone từ địa y Usnea undulata Lâm Đồng

Nghiên cứu thành phần hóa học loài địa y Usnea undulata tại Lâm Đồng. Khám phá các hợp chất có hoạt tính sinh học, tiềm năng kháng khuẩn.

• Tác giả: Liêu Hoàng Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Thu Trâm
• Trường học: Trường Đại học Y Dược Cần Thơ
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu thành phần hóa học cao acetone của loài địa y Usnea undulata thu hái tại Lâm Đồng, Việt Nam
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường của sinh viên
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Địa y Usnea undulata Nguồn gốc và đặc điểm

Địa y Usnea undulata là một loài địa y quý hiếm thuộc họ Parmeliaceae, phân bố rộng rãi trên các cánh rừng thông ở Lâm Đồng, Việt Nam. Đây là kết quả cộng sinh đặc biệt giữa nấm (mycobiont) và tảo hoặc vi khuẩn lam (photobiont), tạo nên một dạng sống độc đáo trong tự nhiên. Loài địa y này được thu hái vào tháng 02/2020 và được định danh chính thức bởi các chuyên gia sinh học quốc tế. Sự cộng sinh này dẫn đến việc sản xuất các sản phẩm chuyển hóa thứ cấp đặc trưng, đặc biệt là các polyphenolic với cấu trúc depside và depsidone. Các chất này mang lại những tính chất sinh học vô cùng có giá trị cho sức khỏe con người.

1.1. Phân bố địa lý và môi trường sống

Usnea undulata phân bố tập trung ở vùng Lâm Đồng với số lượng đủ lớn để có thể thu hái phục vụ nghiên cứu khoa học. Loài này thích hợp với điều kiện khí hậu mộc đặc trưng của vùng cao nguyên, mặc dù ít có công bố chi tiết trước đây. Sự phân bố rộng rãi này cho thấy tiềm năng phát triển trong việc khai thác và sử dụng bền vững.

1.2. Ý nghĩa công bố khoa học tại Việt Nam

Những nghiên cứu về địa y Usnea undulata mới được bắt đầu trong những năm gần đây tại Việt Nam. Công trình nghiên cứu của Trường Đại học Y Dược Cần Thơ dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thị Thu Trâm đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc khám phá thành phần hóa học của loài này.

II. Thành phần hóa học của Địa y Usnea undulata

Nghiên cứu thành phần hóa học cao acetone của Usnea undulata từ Lâm Đồng đã tiết lộ sự phong phú của các hợp chất sinh học quan trọng. Thành phần chính bao gồm usnic acid - một polyphenolic độc đáo có cấu trúc depside, cùng với các hợp chất depside và depsidone khác. Quy trình chiết xuất sử dụng acetone làm dung môi đã tách chiết được cao tập trung, sau đó được tinh chế thành các hợp chất riêng biệt thông qua sắc ký cột và kết tinh. Các hợp chất này được xác định cấu trúc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và khối phổ (ESI-MS), phương pháp phổ nghiệm hiện đại. Sự đa dạng của các polyphenolic giải thích nguồn gốc sinh học phong phú từ cộng sinh độc đáo của loài này.

2.1. Usnic acid Hợp chất chính

Usnic acid là hợp chất chủ yếu phân lập từ cao acetone của Usnea undulata. Đây là một polyphenolic có cấu trúc depside, được xác định bằng các phương pháp phổ hiện đại. Hợp chất này sở hữu những tính chất sinh học đặc biệt, đặc biệt là khả năng kháng khuẩn mạnh.

2.2. Các polyphenolic khác và depside

Bên cạnh usnic acid, cao chiết còn chứa nhiều hợp chất polyphenolic khác với cấu trúc depside và depsidone. Những hợp chất này đóng góp vào tổng hoạt tính sinh học của mẫu, giúp tăng cường các tác dụng bảo vệ sức khỏe.

III. Công dụng và hoạt tính sinh học

Công dụng của Usnea undulata được xác định thông qua các hoạt tính sinh học của các hợp chất phân lập. Theo nghiên cứu của Paul Bergner và các công trình khoa học khác, usnic acid có hiệu quả chống lại các vi khuẩn gram dương như Streptococcus và Staphylococcus, đồng thời có khả năng chống viêm phổi. Ngoài ra, các polyphenolic trong Usnea undulata còn sở hữu hoạt tính chống oxi hóa mạnh, kháng virus và kháng khuẩn rộng. Những đặc tính tốt này hứa hẹn khả năng ứng dụng các hợp chất phân lập từ loài này vào các sản phẩm bảo vệ sức khỏe con người. Tiềm năng phát triển sản phẩm từ địa y Lâm Đồng đang mở ra những cơ hội mới trong ngành dược phẩm thiên nhiên.

3.1. Hoạt tính kháng khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của Usnea undulata đặc biệt hiệu quả với các vi khuẩn gram dương như Streptococcus và Staphylococcus. Usnic acid chứa trong loài này đã được chứng minh có tác dụng vô hiệu hóa các tác nhân gây bệnh, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các sản phẩm kháng khuẩn thiên nhiên.

3.2. Hoạt tính chống oxi hóa và chống viêm

Các polyphenolic trong cao acetone của Usnea undulata sở hữu khả năng chống oxi hóa vượt trội. Bên cạnh đó, hoạt tính chống viêm giúp bảo vệ cơ thể khỏi các tổn thương do viêm nhiễm, đặc biệt là viêm phổi. Những tính chất này làm nền tảng cho các ứng dụng y tế tiềm năng.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Kết quả nghiên cứu thành phần hóa học cao acetone của Usnea undulata từ Lâm Đồng mở ra những triển vọng phát triển lớn lao cho ngành dược phẩm và sản phẩm sức khỏe thiên nhiên tại Việt Nam. Các hợp chất phân lập có thể được ứng dụng vào sản xuất các sản phẩm bảo vệ sức khỏe con người như thuốc kháng khuẩn, chế phẩm chống viêm, hay các bổ sung dinh dưỡng. Tiềm năng khai thác bền vững từ các rừng thông Lâm Đồng đảm bảo nguồn nguyên liệu dồi dào. Công trình nghiên cứu của Trường Đại học Y Dược Cần Thơ đóng góp quan trọng vào kho tàng kiến thức về địa y Việt Nam. Tuy nhiên, cần tiếp tục các nghiên cứu lâm sàng và thử nghiệm tiếp theo để đưa những phát hiện này vào ứng dụng thực tiễn.

4.1. Ứng dụng trong sản phẩm dược phẩm

Hợp chất phân lập từ Usnea undulata có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất thuốc kháng khuẩn thiên nhiên, các chế phẩm chống viêm, và bổ sung dinh dưỡng. Khả năng kháng vi khuẩn gram dương của usnic acid làm nó trở thành ứng viên hứa hẹn cho ngành dược phẩm.

4.2. Phát triển bền vững và khai thác tài nguyên

Sự phân bố rộng rãi của Usnea undulata ở Lâm Đồng cho phép khai thác bền vững để cung cấp nguồn nguyên liệu ổn định. Việc phát triển các sản phẩm từ địa y Việt Nam không chỉ tạo giá trị kinh tế mà còn bảo vệ tài nguyên sinh học địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về địa y 1. Khái niệm Địa y là loài thực vật cộng sinh giữa tảo và nấm đôi khi có thêm vi khuẩn. Theo nghiên cứu, hiện nay trên thế giới có khoảng 18.500 loài địa y sinh sống, ước tính khoảng 6% bề mặt đất liền trên trái đất được bao phủ bởi địa y [28].

Cấu tạo thành phần của địa y bao gồm:  Nấm: chủ yếu là nấm túi, đôi khi là nấm đảm có chức năng bảo vệ, vận chuyển, cung cấp nước và muối khoáng cho tảo.  Tảo (thường là tảo lục hoặc tảo lam) có chức năng tổng hợp chất hữu cơ cho cả hệ cộng sinh sử dụng. Tảo có thể phân bố đồng đều hoặc ở một phía của địa y.  Vi khuẩn nếu có thì làm chức năng cố định nitơ trong không khí cho tảo.

Về mặt cấu tạo, tản của địa y gồm các sợi nấm kết bện thành mô giả bao lấy tảo ở phía trong. Ngoài ra, bề mặt địa y có thể thấy các mầm phấn (cơ quan sinh dưỡng) và thể quả của nấm, nổi cao hơn, bên trong chứa bào tử túi. Phân loại và hình dạng Dựa vào hình thái bên ngoài địa y được chia làm ba dạng phổ biến là địa y dạng khảm, địa y dạng phiến và địa y dạng sợi [16].  Dạng khảm: bề mặt của địa y khảm cực kì mỏng và bám chặt vào bề mặt chủ bằng những sợi nấm có lõi.1a)  Dạng phiến: địa y dạng phiến có hình dạng như tờ giấy mỏng.

Bề mặt trên và dưới khác biệt nhau rõ rệt, bám lỏng lẻo trên bề mặt chủ bằng các rễ giả nên rất dễ bóc tách ra khỏi bề mặt chủ.1b) 3  Dạng sợi: Địa y dạng sợi có hình thức giống như bụi cây nhỏ, đứng trên bề mặt chủ và xõa xuống.1c) Dạng khảm Dạng phiến Dạng sợi Hình 1. Các dạng hình thái của địa y Nguồn: https://courses.com/microbiology/chapter/lichens/ 1. Phân bố Địa y có thể sống bám ở nhiều dạng địa hình đất, đá, thân cây và trong nhiều điều kiện môi trường khắc nghiệt, khô hạn hay giá lạnh, từ vùng thấp đến núi cao, cho thấy chúng có tính chống chịu tốt. Địa y xuất hiện trải dài trên mọi địa hình, từ đất đá dưới thấp cho đến cành cây từ trung bình đến cao, tại những khu rừng gỗ, rừng mưa, địa y đều có thể tồn tại [17].

Trong tự nhiên, địa y phát triển rất chậm. Sự tăng trưởng của chúng được tính bằng milimet mỗi năm. Tốc độ phát triển của địa y được Hale (1973) đã công bố hầu hết các loài địa y dạng phiến phát triển 0,5–4 mm / năm, các loài địa y dạng sợi 1,5–5 mm / năm và các loài địa y dạng khảm thì 0,5–2 mm / năm [28]. Phần lớn các loài địa y vùng ôn đới, cận nhiệt và nhiệt đới tăng trưởng vài milimét tới vài centimét trong một năm và phát triển mạnh nhất ở vùng khí hậu ẩm ven biển và rừng mưa Bắc Mỹ.

Ở vùng rất lạnh và rất nóng, địa y phải mất hàng thế kỷ để đạt được kích thước lớn. Thành phần hóa học 1. Các con đường chuyển hóa Cho đến nay khoảng hơn 1000 hợp chất hóa học, trong đó khoảng 800 hợp chất hóa học chất chuyển hóa thứ cấp của địa y được biết đến và đã được báo cáo thể hiện các hoạt tính sinh học đa dạng [28]. Hầu hết các chất chuyển hóa thứ cấp trong địa y là các hợp chất phenolic như hợp chất đơn vòng thơm, depside, depsidone, depsone, dibenzofurane, lactones, quionon và các dẫn xuất pulvinic acid.

Các thành phần địa y được tổng hợp chủ yếu qua ba con đường chuyển hóa [28].  Con đường acetyl-polymalonyl: đây là con đường tổng hợp phổ biến các chất trong địa y và khoảng 80% các chất chuyển hóa thứ cấp được tổng hợp thông qua con đường này.  Con đường mevalonic acid: tổng hợp khoảng 17% tổng số các hợp chất bao gồm steroid và triterpenes.  Con đường shikimic acid: phần rất nhỏ của các chất chuyển hóa thứ cấp được tổng hợp bằng con đường này bao gồm terphenylquinones và dẫn xuất của pulvinic acid.

Phân loại các hợp chất hóa học Nhóm các acid béo Ngoài các acid béo thường thấy trong thực vật như caproic acid, caprylic acid, linoleic acid… địa y còn tích lũy các acid béo với mạch nhánh có 19 hoặc 20 carbon như (1) acetoxyprotolichesterinic acid, (2) lichesterinic acid,… [10],[24]. 5 acetoxyprotolichesterinic acid lichesterinic acid Hình 1. Cấu trúc hóa học các acid béo có trong địa y Nhóm dẫn xuất pulvinic acid Calycin (3), epanorin, 4-hydroxyvulpinic acid, pulvinic acid, pulvinamide (4) là những hợp chất tiêu biểu thuộc nhóm pulvinic acid và dẫn xuất [10], [24]. (3) (4) calycin pulvinamide Hình 1.

Cấu trúc hóa học nhóm dẫn xuất pulvinic acid có trong địa y Nhóm hợp chất đơn vòng thơm Nhóm chất đơn vòng thơm bao gồm nhiều hợp chất như hợp chất đơn vòng thơm và dẫn xuất của chúng. 6 Ester của 4-hydroxybenzoic acid như methylparaben (5), các hợp chất đơn vòng phenol từ địa y như methyl β-orcinol carboxylate (6), methyl orsellinate (7) và methyl hematommate (8) thể hiện hoạt tính kháng khuẩn [10], [24]. (5) (6) methylparaben methyl β-orcinol carboxylate (7) (8) methyl orsellinate methyl hematommate Hình 1. Cấu trúc hóa học nhóm hợp chất đơn vòng thơm có trong địa y Nhóm depside Depside là nhóm hợp chất tạo thành do sự ngưng tụ của hai hoặc nhiều hydroxybenzoic acid, trong đó nhóm carboxyl của phân tử thứ nhất ester hóa với nhóm hydroxyl phenol của phân tử thứ hai.

Nhóm depside bao gồm nhiều hợp chất như didepsides, tri và tetra-depsides, benzyldepside. Một số depside tiêu biểu đó là atranorin (9), diffractaic acid (10), sekikaic acid (11), …[10],[24]. 7 (9) (10) atranorin diffractaic acid (11) sekikaic acid Hình 1. Cấu trúc hóa học nhóm depside có trong địa y Nhóm depsidone Depsidone có thêm liên kết ether so với depside chỉ có liên kết ester, tạo thành cấu trúc vòng cứng nhắc.

Các depsidone đều dựa trên cấu trúc vòng 11H - dibenzo [b,e][1,4]dioxepin -11-one. Một số chất hóa học tiêu biểu cho nhóm depsidone như constictic acid (12), galbinic acid (13), hypoconstictic acid (14), norstictic acid (15), …[10],[24]. 8 (12) (13) constictic acid galbinic acid 2 HO 1 O 3 O O 11 12 12b 10 O 3a 11a 12a 9 7a 5a 4 OH 8 5 7 O 6 1 O OH (14) (15) hypoconstictic acid norstictic acid Hình 1. Cấu trúc hóa học nhóm depsidone trong địa y Nhóm dibenzofuran và dẫn xuất của chúng Trong nhóm này, tiêu biểu nhất là (+) usnic acid (16) là hợp chất thể hiện hoạt tính kháng sinh có tiềm lực nhất trong các hợp chất từ địa y, có tác dụng trên rất nhiều chủng vi khuẩn, ngoài ra còn kháng ung thư, hạ sốt và giảm đau.

Ngoài ra còn có các hợp chất khác như ascomatic acid (17), alectosarmentin (18),. Cấu trúc hóa học nhóm dẫn xuất của dibenzofuran Nhóm quinone Nhóm quinone bao gồm nhiều hợp chất như biphenylquinone, terphenylquinone, phenanthrenequinone, perylenequinone, anthraquinone, naphthoquinone và dẫn xuất. Hợp chất chứa nhân anthraquinone (19) hiện diện nổi bật trong thực vật bậc cao và nấm nhưng cũng là thành phần quan trọng trong địa y. Các hợp chất anthraquinone là tác nhân kháng virus, kể cả HIV, đặc biệt là hypericin (20) [6].

Napthoquinone là nhóm hợp chất có nguồn gốc từ naphthalene, đáng chú ý có naphthazarin (21) [24]. Cấu trúc hóa học nhóm hợp chất anthraquinone, naphthoquinone và dẫn xuất Nhóm terpenoid Như những loài thực vật khác, địa y cũng chứa các hợp chất terpenoid, steroid và carotenoid [10]. Terpenoid gồm có monoterpenoid (camphor, limonene, pinene…), diterpenoid (phytol, manool…), triterpenoid (amyrin, lupeol, pyxinol…). + Steroid như cholesterol, ergosterol, lichesterol… + Carotenoid như carotene, lutein, neoxanthin… [24].

Công dụng của địa y Trong y học: Địa y có thể chữa bệnh khó tiêu, viêm phế quản, nấm, và nhiều rối loạn về máu và tim. Lobaria pulmonaria chữa các bệnh về phổi, Parmelia sulcata chữa các bệnh về sọ não. Ahmadjian và Nilsson công bố địa y Cetraria islandica bán rộng rãi trong các tiệm bào chế thuốc ở Thụy Điển và 11 dùng để điều trị bệnh đái tháo đường, bệnh phổi và bệnh viêm mũi [41]. Địa y Peltigera canina được sử dụng ở Ấn Độ như một dược phẩm làm giảm đau [28].

Tác động đến môi trường: Địa y tác động hữu ích đến môi trường. Chúng chứa vi khuẩn lam và có thể cố định nitơ trong đất. Trên bề mặt của địa y, các lớp biểu bì có khả năng hấp thụ các chất gây ô nhiễm, địa y là những chất sinh học được nghiên cứu nhiều nhất về chất lượng không khí, dùng để đánh giá ô nhiễm không khí. Ngoài ra địa y từ các loài Usnea đã được sử dụng để đánh giá các mô hình lắng đọng kim loại nặng ở Nam cực.

Các hoạt động được thực hiện trong các trạm khoa học khác nhau ở Nam cực có thể tìm ra nguồn ô nhiễm tiềm tàng và góp phần vào việc lưu thông các kim loại vi lượng trong khu vực này [42]. Ngày nay, cùng với tiến bộ của khoa học, những hợp chất đã được tìm thấy trong địa y có những hoạt tính sinh học đối với con nguời và cây trồng như: Hoạt tính điều tiết tăng trưởng đối với thực vật bậc cao: tác dụng gây độc cho thực vật của Ergochrome AA (secalonic acid A), giảm các nồng độ chất diệp lục trong lá rau bina của Evernic acid, ức chế sự nảy mầm và phát triển của Lepidium sativum [10]. Hoạt tính tiêu diệt hoặc ức chế virus và enzym của virus: tác dụng chống lại virus HIV của Sulfate GE-3-S từ chlorosteraic acid, acetylattes β (1- 6) glucan từ loài địa y Umbilicaria esculenta (Miyoshi) Mink, tác dụng gây ức chế Virus Epstein-Barr (EBV) của (+)-usnic acid, hoạt động chống lại virus HIV [15] của Sulfate GE-3-S từ chlorosteraic acid, acetylattes β(1-6) glucan từ loài địa y Umbilicaria esculenta (Miyoshi) Mink [10]. Hoạt tính kháng khuẩn: tác dụng trên Helicobacter pylori (H.

pylori) của Protolichesterinic acid, (+)-usnic acid, methyl-orsellinate, hợp chất usnic 12 acid tác động trên một số chủng gram âm và gram dương như bacteroides spp, clotridium perfringens, Bacillus subtilis, P. Hoạt tính kháng ung thư : tác dụng kháng tế bào ung thư phổi Lewis, ung thư bạch cầu của usnic acid, tác dụng chống lại tế bào ung thư bạch cầu K- 562 của protolichesterinic acid, ức chế tế bào ung thư MCF-7, NCI-H460 của (+) usnic acid, methyl orseliante [10],[13],[17],[22],[23]. Phân bố Chi Usnea phân bố rộng rãi, được tìm thấy khu vực thuộc rừng nguyên sinh có độ cao từ trung bình đến cao từ 1000-3000m, đặc biệt là trong rừng linh sam [40]. Tản của chi này thường mọc trên vỏ cây, trong khi một số các loài khác mọc ở dưới đất hoặc trên đá.

Chúng có mặt khắp cả các châu lục trên thế giới, trải dài từ châu Á, Châu Âu, Châu Phi, Châu Mỹ và Châu Đại Dương [1],[18],[27],[29],[35],[40].