Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

$\beta$-carotene là một sắc tố hữu cơ tự nhiên thuộc nhóm carotenoid và là tiền chất quan trọng của vitamin A. Hợp chất này có khả năng dập tắt các gốc tự do oxy hóa (ROS), bảo vệ tế bào khỏi sự tổn thương do tia cực tím, kích thích đáp ứng miễn dịch, ngăn ngừa xơ vữa động mạch và hỗ trợ làm chậm sự phát triển của các khối u ác tính. Trên thị trường toàn cầu, nhu cầu sử dụng $\beta$-carotene trong các lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm chức năng tăng trưởng liên tục. Tuy nhiên, nguồn cung ứng hiện nay chủ yếu đến từ con đường tổng hợp hóa học (chiếm 84,8%), trong khi nguồn khai thác từ vi tảo chỉ chiếm 8,5% và thực vật chiếm 6,7%. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai nguồn này là $\beta$-carotene tổng hợp hóa học chỉ chứa dạng đồng phân all-trans-$\beta$-carotene, trong khi $\beta$-carotene tự nhiên từ vi tảo tích lũy hàm lượng cao đồng phân 9-cis-$\beta$-carotene – dạng cấu trúc có hoạt tính chống oxy hóa vượt trội và an toàn hơn cho sức khỏe con người.

Vi tảo lục đơn bào Dunaliella bardawil DCCBC 15 (thuộc ngành Chlorophyta, họ Dunaliellaceae) là sinh vật có khả năng thích nghi cao với môi trường siêu mặn, ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao nhờ cơ chế tích lũy glycerol để cân bằng áp suất thẩm thấu và tổng hợp lượng lớn carotenoid nhằm bảo vệ bộ máy quang hợp. Với điều kiện tự nhiên của Việt Nam có đường bờ biển dài, cường độ bức xạ quang học dồi dào và hệ thống ruộng muối trải rộng, việc nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy để khai thác sinh khối và hoạt chất từ loài vi tảo này mở ra tiềm năng lớn cho ngành Dược liệu và Hóa sinh thực nghiệm.

Nhằm giải quyết bài toán trên, khóa luận tốt nghiệp Dược sĩ đại học của tác giả Chu Ngọc Phượng, thực hiện tại Bộ môn Hóa sinh – Độc chất, Khoa Dược, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Hồng Trung (năm 2018), đã xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Khảo sát sự tăng trưởng của vi tảo Dunaliella bardawil DCCBC 15 trong môi trường dinh dưỡng MD4 và sự tăng trưởng của chủng vi tảo này dưới các điều kiện nuôi cấy ức chế khác nhau.
  2. Xác định hàm lượng carotenoid tổng, khả năng chống oxy hóa (DPPH), hàm lượng phenolic tổng, hàm lượng lipid tổng, hàm lượng diệp lục tố và trọng lượng khô của vi tảo theo thời gian nuôi cấy.
  3. Xác định hàm lượng $\beta$-carotene tích lũy trong sinh khối vi tảo bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).

Đối tượng nghiên cứu là chủng vi tảo lục Dunaliella salina var. bardawil DCCBC 15 (gọi tắt là Dunaliella bardawil DCCBC 15), do TS. Polle (Khoa Sinh học, Trường Đại học Brooklyn, New York, Hoa Kỳ) cung cấp. Phạm vi thực nghiệm được giới hạn ở quy mô nuôi cấy phòng thí nghiệm (bình tam giác thể tích 500 mL) trong môi trường cơ bản MD4 1,5M NaCl và các điều kiện gây stress lý hóa nhân tạo (độ mặn cao 4M NaCl, chiếu sáng cường độ cao 300 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$, bổ sung tác nhân oxy hóa $\text{H}_2\text{O}_2$ 12,5 $\mu\text{M}$ và cạn kiệt dinh dưỡng khoáng) trong giai đoạn năm học 2017 – 2018.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên các cơ sở lý thuyết về sinh lý, hóa sinh và sinh học phân tử của vi tảo chịu mặn:

  • Cơ chế sinh tổng hợp Carotenoid và Isoprenoid: Tảo lục Dunaliella tổng hợp tiền chất isoprenoid (isopentenyl diphosphate - IPP và dimethylallyl diphosphate - DMAPP) hoàn toàn thông qua con đường MEP (2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate) định vị trong lục lạp, sử dụng cơ chất ban đầu là pyruvate và glyceraldehyde-3-phosphate (GA-3P), không thông qua con đường mevalonate (MVA) trong tế bào chất. Hai phân tử geranylgeranyl diphosphate (GGPP, C20) được ngưng tụ bởi enzyme phytoene synthase (PSY) tạo thành phytoene, sau đó trải qua các phản ứng khử bão hòa (nhờ phytoene desaturase - PDS, $\zeta$-carotene desaturase - ZDS) và đồng phân hóa (CrtISO, ZISO) để hình thành lycopene. Lycopene tiếp tục được đóng vòng bởi lycopene $\beta$-cyclase (LCY-b) để tạo thành $\beta$-carotene và các xanthophyll khác.
  • Mối quan hệ biến dưỡng giữa Carotenoid và Lipid: Các carotenoid thứ cấp có tính kỵ nước cao, không tồn tại tự do trong dịch bào mà được hòa tan và tích lũy trong các hạt lipid (plastoglobuli) ở chất nền lục lạp hoặc các thể dầu (oil body - OB) trong tế bào chất chứa triacylglycerol (TAG). Do đó, sự kích thích tổng hợp lipid trung tính là điều kiện để tích lũy lượng lớn $\beta$-carotene khi tế bào gặp điều kiện bất lợi.
  • Cơ chế thích ứng áp suất thẩm thấu và bảo vệ quang học: Tế bào Dunaliella không có vách cellulose cứng mà chỉ được bao bọc bởi màng sinh chất và lớp nhầy glycocalyx mỏng, giúp tế bào co giãn thể tích nhanh chóng. Tế bào điều hòa áp suất thẩm thấu thông qua "chu trình glycerol" nội bào. Khi gặp stress môi trường (ánh sáng mạnh, thiếu hụt nitơ/phosphor, nồng độ muối cao), tế bào sản sinh các gốc oxy hóa (ROS), làm tín hiệu kích hoạt biểu hiện gene tổng hợp các chất chống oxy hóa nội sinh gồm carotenoid và hợp chất phenolic.
Phương pháp phân tích / Thí nghiệm Nguyên tắc và Quy trình kỹ thuật áp dụng
Môi trường nuôi cấy cơ bản Môi trường MD4 1,5M NaCl gồm: NPK 0,1 g/L; $\text{MgSO}_4$ 1,86 g/L; EDTA 8,76 mg/L; $\text{FeCl}_3$ 0,49 mg/L; $\text{MnCl}_2$ 1,89 mg/L; $\text{NaHCO}_3$ 50 mM; pH = 7,5; duy trì ở $25 \pm 2^\circ\text{C}$, chiếu sáng 50 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$ (chu kỳ sáng:tối 12:12 giờ), sục khí liên tục.
Hình thái & Mật độ tế bào Quan sát dưới kính hiển vi quang học độ phóng đại 400X. Cố định tế bào bằng dung dịch Lugol (5% Iod và 10% KI), đếm trực tiếp trên buồng đếm hồng cầu (độ sâu 0,1 mm, diện tích 1 $\text{mm}^2$). Tốc độ tăng trưởng đặc hiệu ($\mu$) tính theo công thức logarithm tỷ lệ mật độ qua thời gian.
Trọng lượng khô (DW) Lọc 10 mL dịch nuôi qua màng sợi thủy tinh (đường kính 47 mm, kích thước lỗ 1 $\mu\text{m}$), rửa bằng nước cất, sấy ở $60^\circ\text{C}$ trong 12 giờ đến khối lượng không đổi, cân trên cân phân tích sau khi làm nguội trong bình hút ẩm.
Diệp lục tố & Carotenoid tổng Ly tâm 1 mL dịch tảo (5000 vòng/phút, 5 phút), ly trích bằng hỗn hợp dung môi ethanol : hexane (2:1 v/v), tách pha bằng nước cất và hexane. Đo độ hấp thu quang phổ lớp hexane tại 450 nm, 645 nm, 662 nm. Hàm lượng carotenoid tổng tính theo công thức $\text{Carotenoid}\ (\mu\text{g/mL}) = A_{450} \times 25,2$. Diệp lục tố tính theo phương thức Lichtenthaler.
Hàm lượng Phenolic tổng Chiết cắn tế bào bằng methanol tuyệt đối, phản ứng với thuốc thử Folin-Ciocalteu và $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 10%, ủ tối 1,5 giờ, đo quang ở bước sóng 750 nm. Tính toán dựa trên đường chuẩn acid gallic ($y = 30,263x - 0,0638$; $R^2 = 0,9948$).
Khả năng chống oxy hóa DPPH Chiết cắn tế bào bằng ethanol tuyệt đối ($4^\circ\text{C}$, 4 giờ), ủ dịch chiết với dung dịch DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) trong tối 30 phút, đo độ giảm hấp thu tại bước sóng 517 nm, tính tỷ lệ phần trăm ức chế gốc tự do ($I%$).
Hàm lượng Lipid tổng Phương pháp sulfo-phospho-vanillin (SPV): Thủy phân lipid bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc ở $100^\circ\text{C}$, phản ứng tạo màu với thuốc thử phosphovanillin ở $37^\circ\text{C}$, đo quang tại bước sóng 530 nm. Tính theo đường chuẩn dầu cải thương phẩm ($y = 0,005x - 0,0531$; $R^2 = 0,9929$).
Định lượng $\beta$-carotene Thu sinh khối khô bằng ly tâm và sấy $60^\circ\text{C}$, phân tích định lượng bằng hệ thống HPLC tại phòng kiểm nghiệm Công ty Cổ phần Dược Hậu Giang (DHG Pharma).
Xử lý số liệu Phân tích phương sai một yếu tố (One-way ANOVA) bằng phần mềm SPSS phiên bản 20 và xử lý dữ liệu bằng MS Excel 2016, độ tin cậy $p < 0,05$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương này tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về phân loại học, đặc điểm tế bào học và sinh hóa của chi Dunaliella. Tác giả phân tích chi tiết cấu tạo không vách cứng giúp vi tảo linh hoạt thể tích, hệ thống một lục lạp đơn hình chén chứa hạt pyrenoid và các thể lipid tích lũy carotenoid.

Nội dung trọng tâm của chương tập trung vào cơ chế sinh tổng hợp isoprenoid qua con đường MEP trong lục lạp, các điều kiện gây stress lý hóa (cường độ ánh sáng cao, thiếu hụt khoáng N/P, stress thẩm thấu do muối NaCl và ion kim loại) tác động lên con đường tạo gốc tự do ROS, kích hoạt chu trình glycerol cũng như kích thích tích lũy $\beta$-carotene.

Đồng thời, chương tổng quan làm rõ mối liên kết đồng hóa giữa lipid trung tính (TAG) và carotenoid thứ cấp, sự khác biệt về dược tính giữa đồng phân tự nhiên 9-cis-$\beta$-carotene và đồng phân tổng hợp all-trans-$\beta$-carotene, cũng như vai trò sinh học của $\beta$-carotene đối với thị giác, hệ miễn dịch và khả năng chống oxy hóa ở người.

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc chủng vi tảo Dunaliella bardawil DCCBC 15 và thiết kế hệ thống nuôi cấy gồm hai mô hình thực nghiệm chính:

  1. Khảo sát động học tăng trưởng cơ bản: Nuôi cấy trong môi trường MD4 1,5M NaCl với mật độ ban đầu $14 \times 10^4\ \text{tb/mL}$ trong 22 ngày; theo dõi định kỳ mỗi 2 ngày các chỉ tiêu hình thái học, mật độ tế bào, trọng lượng khô, hàm lượng diệp lục tố a, diệp lục tố tổng, carotenoid tổng và định lượng $\beta$-carotene kết thúc ở ngày 22.
  2. Khảo sát đáp ứng dưới các điều kiện ức chế (2 giai đoạn):
    • Giai đoạn 1 (0 – 16 ngày): Nuôi tăng trưởng sinh khối trong MD4 1,5M NaCl, mật độ ban đầu $10,333 \times 10^4\ \text{tb/mL}$, ánh sáng 50 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$.
    • Giai đoạn 2 (16 – 31 ngày): Chuyển dịch nuôi sang 4 nghiệm thức ức chế độc lập và kết hợp:
      • Nghiệm thức Đối chứng: Cạn kiệt dinh dưỡng + nâng cường độ ánh sáng lên 100 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$.
      • Nghiệm thức $\text{H}_2\text{O}_2$: Cạn kiệt dinh dưỡng + ánh sáng 100 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s} + \text{H}_2\text{O}_2\ 12,5\ \mu\text{M}$.
      • Nghiệm thức $\text{H}_2\text{O}_2 + 4\text{M}$: Cạn kiệt dinh dưỡng + ánh sáng 100 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s} + \text{NaCl } 4\text{M} + \text{H}_2\text{O}_2\ 12,5\ \mu\text{M}$.
      • Nghiệm thức $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{AS}300$: Cạn kiệt dinh dưỡng + nâng cường độ ánh sáng cao 300 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s} + \text{H}_2\text{O}_2\ 12,5\ \mu\text{M}$.
    • Theo dõi định kỳ 3 ngày/lần các chỉ tiêu sinh trưởng, sắc tố, phenolic tổng, lipid tổng và năng lực chống oxy hóa DPPH; thu hoạch sinh khối khô ngày 31 để phân tích HPLC $\beta$-carotene.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm thu được, đối chiếu và giải thích cơ chế sinh lý qua các đồ thị và bảng số liệu:

1. Động học tăng trưởng trong môi trường MD4 1,5M NaCl

  • Hình thái tế bào: Trong 10 ngày đầu, tế bào có kích thước nhỏ, di động nhanh nhờ 2 roi, hình cầu, hình trứng hoặc ellip, màu xanh lục sáng. Từ ngày 10 trở đi, tế bào ngừng phân chia nhanh, phình to thành dạng hình trụ hoặc hình cầu kích thước lớn, dịch nuôi chuyển dần từ màu xanh lục sang màu vàng rồi cam đậm.
  • Mật độ và trọng lượng khô: Pha tăng trưởng log diễn ra từ ngày 2 đến ngày 10 với tốc độ tăng trưởng đặc hiệu đạt $0,219\ \text{tế bào/mL/ngày}$ và tốc độ tích lũy sinh khối đạt $0,310\ \text{g/L/ngày}$. Mật độ tế bào đạt đỉnh và duy trì ổn định ở mức $(80,667 - 90,667) \times 10^4\ \text{tb/mL}$ từ ngày 10 đến ngày 22 ($p = 0,279$). Trọng lượng khô đạt cực đại vào ngày 10 ($1,400 \pm 0,108\ \text{g/L}$), sau đó suy giảm dần còn $0,175 \pm 0,040\ \text{g/L}$ ở ngày 22 ($p = 0,002$) do hiện tượng suy vong và cạn kiệt dinh dưỡng khoáng trong hệ kín.
  • Diệp lục tố và Carotenoid: Hàm lượng diệp lục tố a và diệp lục tố tổng trên thể tích tăng nhanh trong pha log và đạt cực đại tại ngày 14 (diệp lục tố a đạt $0,172 \pm 0,010\ \mu\text{g/mL}$; diệp lục tố tổng đạt $1,575 \pm 0,066\ \mu\text{g/mL}$), sau đó ổn định. Ngược lại, hàm lượng diệp lục tố tính trên từng tế bào cao nhất ở ngày 0 ($2,366\ \text{pg/tb}$) rồi giảm dần. Carotenoid tổng tăng liên tục suốt 22 ngày, đạt giá trị cao nhất tại ngày 22 với $11,609 \pm 0,335\ \mu\text{g/mL}$ (tương đương $13,875 \pm 0,400\ \text{pg/tb}$). Tỷ lệ carotenoid/diệp lục tố tăng từ $2,029 \pm 0,166$ (ngày 0) lên $8,055 \pm 0,232$ (ngày 22). Hàm lượng $\beta$-carotene phân tích bằng HPLC ở ngày 22 đạt $205,663\ \text{mg/100 g}$ sinh khối khô.
Ngày nuôi Mật độ tế bào ($\times 10^4$ tb/mL) Trọng lượng khô (g/L) Diệp lục tố tổng ($\mu\text{g/mL}$) Carotenoid tổng ($\mu\text{g/mL}$) Carotenoid/Diệp lục tố
0 $14,000 \pm 0,577$ $0,063 \pm 0,024$ $0,331 \pm 0,041$ $0,672 \pm 0,055$ $2,029 \pm 0,166$
2 $18,667 \pm 0,333$ $0,420 \pm 0,087$ $0,441 \pm 0,044$ $0,991 \pm 0,130$ $2,246 \pm 0,296$
4 $39,333 \pm 3,180$ $0,203 \pm 0,020$ $0,732 \pm 0,040$ $1,722 \pm 0,034$ $2,352 \pm 0,046$
6 $63,667 \pm 4,842$ $0,493 \pm 0,099$ $1,076 \pm 0,131$ $2,638 \pm 0,221$ $2,451 \pm 0,205$
8 $80,667 \pm 3,930$ $0,670 \pm 0,066$ $1,236 \pm 0,069$ $3,578 \pm 0,344$ $2,899 \pm 0,278$
10 $82,333 \pm 2,028$ $1,400 \pm 0,108$ $1,382 \pm 0,020$ $4,511 \pm 0,510$ $3,265 \pm 0,370$
12 $81,333 \pm 1,856$ $0,880 \pm 0,105$ $1,400 \pm 0,059$ $6,140 \pm 0,337$ $4,386 \pm 0,241$
14 $88,667 \pm 1,202$ $0,503 \pm 0,097$ $1,575 \pm 0,066$ $8,140 \pm 0,172$ $5,169 \pm 0,109$
16 $90,000 \pm 2,646$ $0,383 \pm 0,047$ $1,532 \pm 0,058$ $9,206 \pm 0,242$ $6,009 \pm 0,158$
18 $86,667 \pm 6,489$ $0,200 \pm 0,016$ $1,514 \pm 0,086$ $10,223 \pm 0,140$ $6,754 \pm 0,092$
20 $90,667 \pm 4,180$ $0,365 \pm 0,033$ $1,486 \pm 0,082$ $10,718 \pm 0,180$ $7,211 \pm 0,121$
22 $83,667 \pm 1,453$ $0,175 \pm 0,040$ $1,441 \pm 0,110$ $11,609 \pm 0,335$ $8,055 \pm 0,232$

2. Tăng trưởng và tích lũy chất chống oxy hóa dưới các điều kiện ức chế

  • Đáp ứng sinh trưởng: Trong 16 ngày đầu, tốc độ tăng trưởng đạt $0,122\ \text{tế bào/mL/ngày}$ ($p = 0,038$), mật độ đạt $72,667 \times 10^4\ \text{tb/mL}$. Khi chuyển sang các nghiệm thức ức chế từ ngày 16 đến ngày 31, tốc độ phân chia tế bào chậm lại rõ rệt và có sự khác biệt mang ý nghĩa thống kê giữa các điều kiện ($p = 0,000$). Tại ngày 31, nghiệm thức Đối chứng đạt mật độ cao nhất ($83,667 \times 10^4\ \text{tb/mL}$), tiếp đến là $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{AS}300$ ($73,000 \times 10^4\ \text{tb/mL}$), $\text{H}_2\text{O}_2$ đơn thuần ($63,333 \times 10^4\ \text{tb/mL}$) và thấp nhất ở nghiệm thức sốc muối $\text{H}_2\text{O}_2 + 4\text{M}$ ($53,667 \times 10^4\ \text{tb/mL}$).
Mật độ tế bào ($\times 10^4$ tb/mL) Đối chứng $\text{H}_2\text{O}_2$ $\text{H}_2\text{O}_2$ + 4M $\text{H}_2\text{O}_2$ + AS300
Ngày 16 (Bắt đầu ức chế) $72,667 \pm 2,028$ $59,000 \pm 0,577$ $66,333 \pm 0,333$ $64,333 \pm 0,333$
Ngày 19 $67,333 \pm 0,882$ $57,333 \pm 2,333$ $51,333 \pm 1,667$ $61,667 \pm 1,764$
Ngày 22 $77,667 \pm 5,175$ $53,667 \pm 4,667$ $51,667 \pm 0,882$ $61,333 \pm 4,410$
Ngày 25 $70,333 \pm 7,219$ $61,000 \pm 5,508$ $54,000 \pm 4,163$ $61,000 \pm 4,041$
Ngày 28 $75,667 \pm 4,702$ $62,667 \pm 0,882$ $51,333 \pm 1,202$ $65,333 \pm 2,728$
Ngày 31 (Kết thúc) $83,667 \pm 2,028$ $63,333 \pm 0,882$ $53,667 \pm 1,333$ $73,000 \pm 1,528$
  • Biến thiên hoạt chất và chống oxy hóa:
    • Dưới các điều kiện stress, hàm lượng diệp lục tố giữ mức ổn định hoặc giảm nhẹ, trong khi quá trình sinh tổng hợp lipid tổng, phenolic tổng và carotenoid tăng mạnh.
    • Ở nghiệm thức kết hợp cạn kiệt dinh dưỡng và cường độ chiếu sáng mạnh ($\text{H}_2\text{O}_2 + \text{AS}300$ và đối chứng chuyển sáng $100\ \mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$), hàm lượng $\beta$-carotene tích lũy trong sinh khối đạt mức cao hơn hẳn so với các nghiệm thức ức chế khác. Tế bào chuyển hoàn toàn sang màu cam do sự hình thành dày đặc các thể lipid chứa carotenoid bao quanh bộ máy quang hợp để chống lại tổn thương do các gốc oxy hóa tạo ra từ ánh sáng mạnh.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu của tác giả Chu Ngọc Phượng đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm định lượng chính sau:

  • Xác định được đặc tính sinh trưởng của vi tảo Dunaliella bardawil DCCBC 15 trong môi trường dinh dưỡng MD4 1,5M NaCl: pha tăng trưởng kéo dài từ ngày 2 đến ngày 10 (tốc độ $0,219\ \text{tb/mL/ngày}$), đạt trọng lượng khô đỉnh $1,400\ \text{g/L}$ ở ngày 10. Diệp lục tố tổng đạt cực đại $1,575\ \mu\text{g/mL}$ ở ngày 14.
  • Ghi nhận sự tích lũy liên tục của carotenoid tổng theo thời gian nuôi cấy, đạt mức cực đại $11,609\ \mu\text{g/mL}$ ($13,875\ \text{pg/tb}$) tại ngày 22, đưa tỷ lệ carotenoid/diệp lục tố từ 2,029 lên 8,055. Hàm lượng $\beta$-carotene xác định bằng HPLC ở ngày 22 đạt $205,663\ \text{mg/100 g}$ sinh khối khô.
  • Chứng minh được ảnh hưởng rõ rệt của các yếu tố ức chế lên quá trình tích lũy chất chống oxy hóa: điều kiện cạn kiệt dinh dưỡng kết hợp với cường độ chiếu sáng mạnh kích thích mạnh mẽ quá trình tổng hợp lipid, polyphenol và $\beta$-carotene so với nuôi cấy thông thường.
  • Đóng góp của đề tài: Tác giả đã thiết lập được quy trình nuôi cấy thực nghiệm hai giai đoạn (giai đoạn sinh trưởng tích lũy sinh khối và giai đoạn ức chế kích hoạt sinh tổng hợp hoạt chất) cho chủng Dunaliella bardawil DCCBC 15. Đề tài cung cấp các dẫn liệu khoa học về khả năng sản xuất $\beta$-carotene tự nhiên và các hợp chất chống oxy hóa, mở ra tiềm năng ứng dụng nguồn tài nguyên vi tảo biển phục vụ ngành dược phẩm tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra các hạn chế và đề xuất hướng mở rộng nghiên cứu:

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trong bình tam giác thể tích nhỏ (370 – 450 mL), nuôi cấy theo mẻ (batch culture) trong hệ kín nên dinh dưỡng nhanh chóng cạn kiệt dẫn đến pha suy vong sau ngày 10. Các tác nhân ức chế được khảo sát ở số lượng nồng độ giới hạn (chỉ khảo sát 1 mức $\text{H}_2\text{O}_2$ 12,5 $\mu\text{M}$, 1 mức muối 4M NaCl và 1 mức ánh sáng cao 300 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Khảo sát mở rộng các dải nồng độ ức chế khác nhau; tối ưu hóa môi trường nuôi cấy bán liên tục hoặc liên tục; nâng quy mô thử nghiệm lên hệ thống photobioreactor kín hoặc bể nuôi hở ngoài trời nhằm tận dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên tại các vùng ven biển và ruộng muối tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên các ngành Dược học, Công nghệ sinh học, Nuôi trồng thủy sản, Hóa sinh và Khoa học môi trường đang thực hiện các đề tài liên quan đến vi tảo biển và hoạt chất sinh học tự nhiên.
  • Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp pha chế môi trường nuôi cấy MD4, kỹ thuật đếm buồng đếm hồng cầu, phương pháp chiết tách và định lượng quang phổ carotenoid/diệp lục tố (phương pháp Lichtenthaler), phương pháp định lượng lipid bằng sulfo-phospho-vanillin (SPV), định lượng phenolic tổng bằng Folin-Ciocalteu và thử nghiệm quét gốc tự do DPPH.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần hóa học chính của môi trường nuôi cấy MD4 1,5M NaCl dùng trong nghiên cứu gồm những chất nào?

Môi trường MD4 1,5M NaCl được pha chế với các thành phần bao gồm: phân bón NPK (0,1 g/L), $\text{MgSO}_4$ (1,86 g/L), EDTA (8,76 mg/L), $\text{FeCl}_3$ (0,49 mg/L), $\text{MnCl}_2$ (1,89 mg/L), $\text{NaHCO}_3$ (50 mM) và $\text{NaCl}$ ở nồng độ 1,5M, hiệu chỉnh pH = 7,5.

2. Vì sao $\beta$-carotene tự nhiên từ vi tảo Dunaliella được đánh giá cao hơn $\beta$-carotene tổng hợp hóa học?

$\beta$-carotene tổng hợp hóa học hầu như chỉ chứa đồng phân all-trans-$\beta$-carotene. Trong khi đó, $\beta$-carotene tự nhiên chiết xuất từ vi tảo Dunaliella chứa tỷ lệ cao đồng phân 9-cis-$\beta$-carotene (khoảng 41%), dạng đồng phân này đã được chứng minh có hoạt tính chống oxy hóa mạnh hơn nhiều và an toàn hơn cho sức khỏe con người.

3. Trong môi trường MD4 1,5M NaCl, diễn biến mật độ và trọng lượng khô tế bào vi tảo thay đổi như thế nào sau 22 ngày?

Mật độ tế bào tăng mạnh trong pha log từ ngày 2 đến ngày 10 (từ $18,667 \times 10^4$ lên $82,333 \times 10^4\ \text{tb/mL}$), sau đó duy trì ổn định ở mức $(81,333 - 90,667) \times 10^4\ \text{tb/mL}$ đến ngày 22. Trọng lượng khô tế bào đạt đỉnh ở ngày 10 ($1,400\ \text{g/L}$), sau đó giảm dần về mức $0,175\ \text{g/L}$ ở ngày 22 do tế bào bước vào giai đoạn suy vong và cạn kiệt dinh dưỡng.

4. Bốn nghiệm thức ức chế được thiết kế như thế nào ở giai đoạn 2 và nghiệm thức nào cho kết quả tích lũy $\beta$-carotene tốt nhất?

Sau 16 ngày nuôi tăng trưởng, vi tảo được chia thành 4 nghiệm thức: (1) Đối chứng (cạn dinh dưỡng + ánh sáng 100 $\mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$); (2) $\text{H}_2\text{O}_2$ ($12,5\ \mu\text{M}$); (3) $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{NaCl } 4\text{M}$; (4) $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{ánh sáng cao } 300\ \mu\text{mol photon/m}^2\text{/s}$. Kết quả cho thấy nghiệm thức cạn kiệt dinh dưỡng kết hợp với cường độ chiếu sáng mạnh tạo ra hàm lượng $\beta$-carotene tích lũy cao hơn so với các nghiệm thức còn lại.

5. Phương pháp định lượng lipid tổng và phenolic tổng trong khóa luận được thực hiện bằng kỹ thuật gì?

Lipid tổng được xác định bằng phương pháp sulfo-phospho-vanillin (SPV), thủy phân mẫu bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc ở $100^\circ\text{C}$ rồi tạo màu với thuốc thử phosphovanillin, đo quang ở bước sóng 530 nm dựa trên đường chuẩn dầu cải. Phenolic tổng được định lượng bằng thuốc thử Folin-Ciocalteu và $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 10%, đo quang ở bước sóng 750 nm và tính theo đương lượng acid gallic.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Chu Ngọc Phượng đã nghiên cứu có hệ thống các đặc tính tăng trưởng và tích lũy chất chống oxy hóa của chủng vi tảo lục Dunaliella bardawil DCCBC 15 trong môi trường MD4 1,5M NaCl và dưới các điều kiện gây stress lý hóa. Kết quả thực nghiệm khẳng định điều kiện cạn kiệt dinh dưỡng kết hợp với bức xạ ánh sáng cao kích thích mạnh mẽ sự sinh tổng hợp lipid, polyphenol và $\beta$-carotene trong sinh khối tế bào. Công trình cung cấp cơ sở khoa học thực nghiệm có giá trị cho định hướng nuôi trồng vi tảo biển quy mô lớn nhằm chủ động khai thác nguồn $\beta$-carotene tự nhiên phục vụ ngành Dược phẩm tại Việt Nam.