Đột phá công nghệ sinh học cho phép sản xuất Omega3 bền vững mà không đánh bắt quá mức

Bạn đã bao giờ cân nhắc đến chi phí môi trường của viên nang Omega-3 nhỏ bé trên bàn ăn của bạn chưa? Đằng sau những lợi ích sức khỏe là một cuộc khủng hoảng biển ngày càng gia tăng—khai thác quá mức và ô nhiễm đang đe dọa các nguồn truyền thống của các axit béo thiết yếu này. Giờ đây, các nhà khoa học đang tiên phong trong các phương pháp sản xuất bền vững thông qua công nghệ sinh học.

Các axit béo Omega-3, đặc biệt là EPA (axit eicosapentaenoic) và DHA (axit docosahexaenoic), được ca ngợi vì những lợi ích về tim mạch, thần kinh và miễn dịch. Tuy nhiên, con người có khả năng tổng hợp các hợp chất này hạn chế, chủ yếu dựa vào các nguồn cung cấp từ chế độ ăn uống. Trong khi cá biển sâu là nguồn dự trữ truyền thống, sự phụ thuộc này đang đẩy các hệ sinh thái biển đến bờ vực.

Cấu trúc phân tử của các axit béo không bão hòa đa chuỗi dài này cho phép hoạt động sinh học độc đáo. Nghiên cứu cho thấy EPA và DHA tích hợp vào các lớp màng phospholipid của tế bào, ảnh hưởng đến cấu trúc bè lipid, tốc độ oxy hóa và các con đường truyền tín hiệu trong khi giảm sự tích tụ cholesterol. Các cơ chế này mang lại những lợi thế về sức khỏe trên diện rộng:

• Sức khỏe tâm thần kinh: Điều chỉnh màng tế bào tuyến tùng để ảnh hưởng đến việc sản xuất melatonin giúp cải thiện chất lượng giấc ngủ, đồng thời thể hiện tiềm năng trong việc kiểm soát lo âu và trầm cảm.
• Lợi ích về cơ xương: Chống lại sự teo cơ, tăng tốc độ thích ứng thần kinh cơ và tăng cường khoáng hóa xương để ngăn ngừa loãng xương.
• Bảo vệ mắt: Hiệu quả đã được chứng minh trong điều trị hội chứng khô mắt và hỗ trợ kiểm soát cận thị.
• Ứng dụng trong ung thư: Liên quan đến việc giảm nguy cơ ung thư đại trực tràng và ung thư vú, đồng thời làm giảm các biến chứng liên quan đến ung thư như suy nhược và đau thông qua các tương tác thụ thể kết hợp protein G.
• Tác dụng chống viêm: Bằng cách sửa đổi sự phân bố axit béo phospho và vị trí bè lipid, các hợp chất này ức chế các yếu tố phiên mã tiền viêm trong khi kích hoạt các chất trung gian chống viêm. Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy tỷ lệ nhồi máu cơ tim thấp hơn ở người Inuit Greenland và người Nhật Bản có lượng Omega-3 cao.

Sự hạn chế về trao đổi chất của con người—thiếu các enzym Δ-12 desaturase để chuyển đổi axit palmitic và oleic thành axit linoleic và axit α-linolenic, cùng với việc tổng hợp EPA/DHA không hiệu quả từ axit α-linolenic—khiến việc bổ sung chế độ ăn uống trở nên quan trọng. Hiệp hội Tim mạch Hoa Kỳ khuyến nghị nên dùng 4g EPA/DHA hàng ngày.

Nguồn cung cấp Omega-3 hiện tại phải đối mặt với những thách thức kép. Cá tích tụ các axit béo này bằng cách tiêu thụ vi tảo biển, nhưng việc khai thác quá mức, nồng độ Omega-3 thay đổi và ô nhiễm đại dương gây nguy hiểm cho cả sự cân bằng sinh thái và tính nhất quán của sản phẩm.

Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đang phát triển các nền tảng sản xuất vi sinh vật bằng cách sử dụng tảo và nấm men thông qua công nghệ lên men:

• Lên men vi tảo: Martek Biosciences đi tiên phong trong việc sản xuất DHA từ tảo cho sữa công thức dành cho trẻ sơ sinh, mặc dù các chủng EPA hoặc EPA/DHA kết hợp năng suất cao vẫn còn khó nắm bắt.
• Nền tảng nấm men: Kỹ thuật trao đổi chất của DuPont về Yarrowia lipolytica cho phép sản xuất EPA từ đường nông nghiệp, mặc dù với tỷ lệ chuyển đổi không tối ưu.
• Kỹ thuật thực vật: Các loại cây trồng biến đổi gen như cải dầu cho thấy triển vọng về tổng hợp Omega-3 dựa trên hạt, mặc dù thời gian canh tác dài gây ra những hạn chế về hậu cần.

Tăng cường sản lượng Omega-3 của vi sinh vật đòi hỏi sự thao tác phức tạp về con đường:

• Tăng cường cung cấp tiền chất acetyl-CoA thông qua biểu hiện quá mức của enzym
• Tối ưu hóa động học của enzym tổng hợp axit béo và desaturase
• Loại bỏ các nút thắt trao đổi chất thông qua việc loại bỏ gen
• Điều chỉnh các bộ điều khiển phiên mã của quá trình sinh tổng hợp lipid
• Thiết kế các tuyến trao đổi chất tổng hợp bỏ qua các ràng buộc tự nhiên

Những đổi mới mới nổi nhằm giải quyết những hạn chế hiện tại:

• Chỉnh sửa bộ gen dựa trên CRISPR để tối ưu hóa chủng chính xác
• Tích hợp đa hệ gen để lập bản đồ trao đổi chất toàn diện
• Hệ thống lên men liên tục cải thiện thông lượng
• Các mô hình nhà máy lọc sinh học đồng sản xuất nhiều hợp chất giá trị cao
• Các nguồn nguyên liệu thay thế bao gồm các dòng chất thải nông nghiệp

Khi các giải pháp công nghệ sinh học trưởng thành, chúng hứa hẹn sẽ giảm bớt áp lực lên hệ sinh thái biển đồng thời đảm bảo khả năng tiếp cận đáng tin cậy với các chất dinh dưỡng quan trọng này. Sự hội tụ của sinh học tổng hợp và quá trình lên men công nghiệp có thể sớm xác định lại các mô hình sản xuất Omega-3 toàn cầu.