Dùng thực vật để sản xuất thuốc ngay trong không gian -

Khi các phi hành gia khám phá Mặt Trăng, Sao Hỏa và những điểm đến xa Trái Đất trong tương lai, họ sẽ phải tự chủ tối đa về nguồn lực. Các sứ mệnh hoạt động ngoài quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO) không thể được tiếp tế chỉ trong vài giờ như hiện nay. Điều đó đồng nghĩa các căn cứ và nhiệm vụ không gian sâu sẽ phải tự sản xuất không khí, nước, thực phẩm, nhiên liệu và nhiều nhu yếu phẩm khác để duy trì hoạt động lâu dài.
Thông thường, mục tiêu này được thực hiện thông qua chiến lược khai thác và sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU), tận dụng nguồn lực sẵn có để tạo ra vật liệu xây dựng và các nhu yếu phẩm. Bên cạnh đó, thực vật cũng được đưa lên không gian để hấp thụ khí CO₂, tạo oxy và cung cấp nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng.
Theo một nghiên cứu mới của Đại học California San Diego (UC San Diego), thực vật còn có thể đảm nhiệm thêm một vai trò quan trọng khác: trở thành “nhà máy” sản xuất thuốc ngay trong không gian.
Nghiên cứu do các kỹ sư thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học và Nano Aiiso Yufeng Li Family của UC San Diego thực hiện, với sự tham gia của nhiều trung tâm nghiên cứu liên ngành trong trường. Kết quả được công bố ngày 5/6 trên tạp chí npj Science of Plants.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp cho phép trồng và thu hoạch nhiều lần các dược chất từ thực vật trong môi trường vi trọng lực mà không làm hỏng cây hoặc tạo ra lượng lớn chất thải.
Hơn một thập niên qua, nhóm của giáo sư Nicole Steinmetz đã nghiên cứu virus khảm đậu bò (cowpea mosaic virus – CPMV), loại virus thường lây nhiễm trên các cây họ đậu. Điều khiến các nhà khoa học quan tâm là khả năng kích thích hệ miễn dịch tấn công tế bào ung thư của loại virus này.
Các thử nghiệm tiền lâm sàng trên chuột và nghiên cứu lâm sàng trên chó mắc ung thư cho thấy CPMV có khả năng chống lại khối u.
Để chứng minh tính khả thi của phương pháp mới, nhóm nghiên cứu sử dụng cây thuốc lá Nicotiana benthamiana và cây đậu mắt đen để sản xuất CPMV.
Thông thường, quá trình chiết xuất đòi hỏi phải thu hoạch lá rồi nghiền nát để tách dược chất. Tuy nhiên, Patrick Opdensteinen, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết cách làm này không phù hợp với môi trường tàu vũ trụ.
Ông cho biết việc trồng cây để tạo ra hợp chất không quá khó vì thực vật có thể tạo ra lượng sinh khối lớn trong thời gian ngắn. Thách thức lớn nhất là tách dược chất khỏi cây. Sau khi nghiền lá, hỗn hợp thu được giống như một “ly sinh tố”, đòi hỏi hệ thống thiết bị cồng kềnh chiếm cả một phòng thí nghiệm để xử lý, điều không thể thực hiện trên tàu vũ trụ.
Để đơn giản hóa quy trình, nhóm nghiên cứu áp dụng kỹ thuật gọi là “tiết sản phẩm” (product secretion). Phương pháp này tận dụng khả năng các hợp chất hóa học được tiết vào một khoang trong lá gọi là apoplast – mạng lưới các khoảng trống nằm ngoài màng tế bào.
Các nhà khoa học phát hiện có thể thu hồi CPMV từ apoplast mà vẫn giữ nguyên cấu trúc lá. Trước tiên, lá cây được ngâm trong dung dịch đệm rồi đặt trong môi trường chân không để chất lỏng thấm đầy các khoang apoplast. Sau đó, lá được đưa vào máy ly tâm tốc độ thấp để tách phần dịch giàu CPMV, trước khi tiếp tục lọc bỏ các vật liệu thực vật không cần thiết.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp mới có nhiều ưu điểm so với các dây chuyền sản xuất dược phẩm truyền thống vốn đòi hỏi bể chứa lớn và môi trường vô trùng nghiêm ngặt.
Các thử nghiệm cho thấy quy trình có thể mở rộng quy mô khi thu hoạch và tinh chế CPMV từ hơn 50 cây chỉ trong chưa đầy hai giờ. Đáng chú ý, do lá không bị phá hủy nên cây vẫn tiếp tục sinh trưởng và có thể được thu hoạch nhiều lần.
Để mô phỏng điều kiện vi trọng lực, nhóm nghiên cứu phối hợp với Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ của UC San Diego chế tạo một thiết bị quay đa hướng liên tục nhằm triệt tiêu tác động của trọng lực.
Các cây thí nghiệm cũng được đặt trong điều kiện dao động nhiệt độ và chịu áp lực oxy hóa tương tự ảnh hưởng của bức xạ vũ trụ. Kết quả cho thấy sản lượng CPMV trong một số trường hợp còn tăng nhẹ.
Theo Opdensteinen, thực vật thường dễ mắc bệnh hơn khi chịu áp lực môi trường. Tuy nhiên, do sản phẩm nghiên cứu có nguồn gốc từ virus thực vật nên phản ứng căng thẳng này lại giúp gia tăng sản lượng CPMV.
Nghiên cứu được đánh giá là giải pháp tiềm năng cho một trong những thách thức lớn nhất của các sứ mệnh không gian dài ngày: bảo đảm nguồn thuốc điều trị.
Môi trường vi trọng lực và bức xạ cao có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe phi hành gia. Trong khi đó, các nghiên cứu trên Trạm Vũ trụ Quốc tế cho thấy nhiều loại thuốc bị suy giảm chất lượng nhanh hơn trong không gian, với hơn một nửa số thuốc hết hạn sử dụng trong vòng ba năm.
Đối với các sứ mệnh tới Sao Hỏa, thời gian hành trình kéo dài từ 6 đến 9 tháng mỗi chiều khiến nhiều loại thuốc có thể mất hiệu quả trước khi phi hành đoàn quay trở về Trái Đất. Việc tiếp tế từ Trái Đất cũng gần như không khả thi.
Nhóm nghiên cứu cho rằng thực vật vốn có khả năng tự nhiên tạo ra nhiều hợp chất có giá trị dược liệu. Vì vậy, chúng có thể trở thành những “nhà máy sản xuất thuốc” sinh học tiêu tốn rất ít tài nguyên và tạo ra ít chất thải – yếu tố đặc biệt quan trọng trên các tàu vũ trụ hoạt động khép kín.
“Với thực vật, chúng ta có thể sản xuất các hợp chất điều trị phức tạp chỉ bằng ánh sáng, nước và đất”, giáo sư Nicole Steinmetz cho biết.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hiểu tác động của môi trường không gian đối với quá trình hấp thụ nước và dinh dưỡng của cây trồng, đồng thời hợp tác với Phòng thí nghiệm Động cơ Tên lửa của UC San Diego để đánh giá ảnh hưởng của quá trình phóng lên không gian đối với hạt giống và vật liệu di truyền sử dụng trong công nghệ này.
Ngoài ứng dụng cho các sứ mệnh không gian, các nhà khoa học kỳ vọng phương pháp trên có thể được triển khai trên Trái Đất nhằm sản xuất dược phẩm chi phí thấp cho những khu vực thiếu nguồn lực, các cộng đồng nghèo hoặc những nơi chịu tác động nặng nề của biến đổi khí hậu.

Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Patrick Opdensteinen tại Đại học California San Diego thực hiện quy trình đơn giản hóa nhằm thu hoạch CPMV từ lá cây. Ảnh: Đại học California