Khám phá bí mật thủy triều đỏ

Thành quả này giúp các ngư dân sống ven biển có thể giảm bớt thiệt hại do thủy triều đỏ gây ra. Các nhà hóa học thuộc Học viện công nghệ Massachusetts đã đưa ra giải thích về cơ chế tảo biển gây ra những thiệt hại định kỳ cho các loài thân mềm & giáp xác.

Các nhà khoa học đã mô tả về thành phần hợp thành độc tố chết người của thủy triều đỏ. Họ đã khám phá ra phương pháp tổng hợp một hóa chất từ tảo biển để ngăn ngừa những độc tố này.

Hiểu được cơ chế xảy ra của thủy triều đỏ có thể giúp các nhà khoa học tính toán các mô hình ngăn ngừa những đợt bùng phát, mang ý nghĩa sinh thái học và giảm những thiệt hại kinh tế. Đơn cử một ví dụ, ngành công nghiệp chế biến sò, vẹm của bang New England (Mỹ) phải hứng chịu thiệt hại hàng triệu đô la trong suốt đợt bùng phát năm 2005, thủy triều đỏ đã giết chết 30 con lợn biển dọc theo bờ biển bang Florida trong mùa xuân.

Khám phá được thực hiện bởi giáo sư Timothy Jamison và nghiên cứu sinh Ivan Vilotijevic, mở ra ánh sáng thấu hiểu cơ chế sinh ra thủy triều đỏ của tảo dinoflagellates (nhóm tảo đơn bào 2 roi), cũng như đẩy nhanh những cố gắng phát triển loại thuốc sơ nang có hợp chất gần gũi với độc tố của thủy triều đỏ.

Giáo sư Tim Jamison (phải) & nghiên cứu sinh Vilotijevic - đồng tác giả công trình khám phá những tổ chức bên trong thủy triều đỏ có thể gây ra những đợt bùng phát độc tố ở tảo biển. Họ đang cầm mô hình các phân tử mà ở trong nước biển chúng sẽ biến đổi thành những thành phần điển hình của độc tố thủy triều đỏ. (Ảnh: Donna Coveney, MIT, web.mit.edu).

Thủy triều đỏ được biết đến dưới các đợt nở hoa bùng phát của tảo biển, tấn công và làm tổn thương hàng loạt đối với động vật biển giáp xác & thân mềm như cua, tôm, trai, sò, vẹm. Sẽ vô cùng nguy hiểm cho con người khi ăn phải những động vật đã bị nhiễm độc này. Cơ chế nhóm tảo dinoflagellates sinh ra những đợt thủy triều đỏ mang độc tố vẫn còn là một bí ẩn, nhưng đó có thể là một cơ chế phòng thủ được triển khai xuất phát từ những thay đổi của các dòng hải lưu như thay đổi nhiệt độ hay trạng thái quá tải của môi trường.

Một trong những thành phần độc tố cơ bản của thủy triều đỏ có tên gọi brevetoxin - một hợp chất cao phân tử rất khó tổng hợp, độc tố này có khả năng gây tê liệt hệ thần kinh rất mạnh.

22 năm trước, nhà hóa học Koji Nakanishi tại Đại học Columbia đã đề xuất một chu trình, theo đó các phản ứng hóa học xảy ra theo từng bước, nhờ đó nhóm tảo dinoflagellates sinh ra brevetoxin bên cạnh các độc tố khác có trong thành phần thủy triều đỏ. Tuy nhiên, các nhà hóa học đã thất bại khi cố gắng tái tạo ra thủy triều đỏ trong phòng thí nghiệm theo chu trình này. Quá nhiều thất bại đã khiến cho giả thuyết Nakanishi chưa bao giờ được chứng mính là đúng đắn.

"Rất nhiều người nghĩ rằng thực hiện các phản ứng tổng hợp độc tố theo từng bước là không thể", Jamison nói. "Bởi giả thuyết Nakanishi đưa ra nhiều giải thích rắc rối & phức tạp cho những độc tố, dẫn đến rất nhiều khả năng xảy tùy theo phán đoán, nhưng cho đến nay vẫn chưa đưa ra được bằng chứng nào".

Timothy Jamison và Ivan Vilotijevic đã làm việc cùng nhau để đưa ra bằng chứng đầu tiên minh chứng giả thuyết Nakanishi. Nghiên cứu của họ cũng sẽ giúp thúc đẩy nỗ lực tìm ra những loại thuốc mới, brevenal - loại chất ức chế chống lại những ảnh hưởng của brevetoxin, cũng được sinh ra trong thủy triều đỏ, hứa hẹn tiềm năng to lớn trong cách điều trị chứng sơ nang (CF - cystic fibrosis).

"Giờ đây chúng tôi có thể điều chế những phân tử phức tạp một cách nhanh chóng, chúng tôi hy vọng sẽ dễ dàng tìm kiếm được những chất bảo vệ chống lại thủy triều đỏ & thậm chí phép điều trị chứng sơ nang hiệu quả hơn", Jamison cho biết.

Cho đến giờ, nhóm nghiên cứu mới chỉ tổng hợp được vài milligrams độc tố thủy triều đỏ và các hợp chất có liên quan nhờ sử dụng phương pháp không phân tầng, đây là kết quả đầy cố gắng của rất nhiều người.

Quá trình tổng hợp phụ thuộc vào hai nhân tố then chốt - phản ứng mồi & xảy ra dưới nước.

Rất nhiều độc tố trong thủy triều đỏ bao gồm chuỗi mắt xích dài gồm 6 thành phần mạch vòng móc nối với nhau liên tiếp. Tuy nhiên, thành phần khởi đầu của chuỗi độc tố là một phân tử rượu mạch vòng hướng đến 5 thành phần còn lại. Để tổng hợp được độc tố thủy triều đỏ, các nhà nghiên cứu đã gắn một "mẫu" gồm 6 vòng thành phần vào mắt xích -o- của phân tử rượu. Đó là biện pháp đơn giản nhưng rất hiệu quả để khởi động các đợt phản ứng dẫn dắt chuỗi phản ứng tạo ra độc tố thủy triều đỏ.

"Bí quyết nằm ở chỗ tạo ra một cú hích nhẹ phù hợp và mọi việc sẽ diễn ra êm xuôi", Jamison nói.

Các nhà nghiên cứu suy xét rằng trong quần thể tảo dinoflagellates, phản ứng ban đầu được kích hoạt bởi một enzyme thay vì một "mẫu" cung cấp sẵn.

Chìa khóa thành công của phương pháp tổng hợp này nằm ở chỗ bố trí phản ứng trong nước. Nước thường là dung môi yếu cho các phản ứng hữu cơ, bởi vậy phần lớn các phản ứng trong phòng thí nghiệm thường được thực hiện trong các dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, khi Viltijevic dùng nước làm dung môi cho phản ứng với quan điểm cho rằng phản ứng sẽ xảy ra nhanh hơn & có chọn lọc hơn.

Jamison cho biết, mặc dù đó có thể là một trùng hợp khi chuỗi phản ứng xảy ra tốt hơn trong nước. Nhưng thực tế tảo dinoflagellates là một thực thể sống của biển bởi thế mà nước có thể là thành phần liên hệ trực tiếp với quá trình sinh ra độc tố hoặc đóng vai trò quan trọng.

Đợt tảo biển bùng phát nở hoa đầy ấn tượng tại Leigh, gần Cape Rodney, New Zealand. (Ảnh: M. Godfrey, NIWA).

Theo kết quả này, các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng những nhà hóa học hữu cơ nên thường xuyên thử nghiệm các phản ứng trong môi trường nước cũng như môi trường dung môi hữu cơ.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện khoa học y học quốc gia, Phòng thí nghiệm nghiên cứu Merck, Boehringer Ingelheim, và MIT.

"Đó là một bước tiến đầy giá trị trong chuỗi công việc phức tạp tiếp theo", John Schwab, giám đốc quản lý các nghiên cứu hóa học hữu cơ tại Viện khoa học y học quốc gia nói. "Điều đó không chỉ cho phép các nhà hóa học tổng hợp các loại hỗn hợp phân tử quan trọng dễ dàng hơn mà còn cung cấp chìa khóa để thấu hiểu cách mà tự nhiên tạo ra cùng một dạng phân tử".

Nam Hy Hoàng Phong (Dịch theo Anne Trafton, MIT News)