2-Methylketone (2-MK) là nhóm hợp chất được ứng dụng khá đa dạng trong nhiều lĩnh vực, phụ thuộc vào chiều dài và mức độ bão hòa của khung carbon trong phân tử hợp chất. Các 2-MK chuỗi dài góp phần tạo nên mùi hương đặc trưng của nhiều tinh dầu thực vật và đã được sử dụng để tạo nốt hương cuối cho một số loại nước hoa. Một số 2-MK chuỗi trung bình (ví dụ 2-undecanone và 2-tridecanone) có tính kháng sâu tự nhiên, hỗ trợ cây trồng chống lại sâu hại nhưng không gây độc cho người và gia súc. Bên cạnh đó, methylketone chuỗi ngắn, như 2-pentanone (C5) và 2-heptanone (C7), từ lâu đã được sử dụng làm chất tạo hương trong công nghệ chế biến thực phẩm, đặc biệt là những sản phẩm có nguồn gốc từ bơ, sữa. Gần đây, 2-methylketone chuỗi ngắn và trung bình được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất năng lượng sinh học. Vì vậy, 2-methylketone hiện là một ứng cử viên thu hút sự chú ý của nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật biến dưỡng.

2-Methylketone được tổng hợp và tích lũy ở một số loài thực vật là sản phẩm phụ của con đường sinh tổng hợp acid béo diễn ra ở lục lạp. Hai enzyme chủ chốt trong con đường sinh tổng hợp 2-methylketone đã được phân lập lần đầu tiên từ cây cà chua dại (Solanum habrochaites), bao gồm methylketone synthase 1 (MKS1) và methylketone synthase 2 (MKS2) (Yu và cộng sự, 2010). MKS2 là một thioesterase xúc tác bước phản ứng kế cuối trong con đường sinh tổng hợp methylketone, giúp chuyển hóa 3-ketoacyl-ACP – chất trung gian của con đường sinh tổng hợp acid béo thành 3-ketoacid. Tiếp theo đó, MKS1 xúc tác bước khử nhóm carbonyl của 3-ketoacid để tạo thành 2-MK tương ứng với chiều dài khung carbon ngắn hơn một nguyên tử carbon. Hiện cấu trúc phân tử của MKS1 đã được xác định bằng phương pháp tán xạ tia X trên tinh thể protein, còn cấu trúc tinh thể của MKS2 vẫn là một ẩn số.

Trong hai công trình được công bố gần đây, nhóm nghiên cứu với các thành viên chủ chốt đến từ Bộ môn Sinh hóa, Khoa Sinh học-CNSH đã khai thác và phân tích các cơ sở dữ liệu sinh học có sẵn, làm cơ sở để định hướng thực nghiệm - thiết kế các thí nghiệm sinh học phân tử và sinh hóa để phân lập và khảo sát chức năng của các gene MKS2 mới từ thực vật. Nhóm nghiên cứu đã xác định được hai gene SmMKS2-1 và SmMKS2-2 từ cà tím Solanum melongena và một gene GmMKS2 từ đậu nành Glycine max có vai trò tiềm năng trong cơ chế kháng lại stress sinh học của hai loài thực vật này. Đồng thời, khi được biểu hiện trong tế bào vi khuẩn E. coli, các protein được mã hóa bởi những gene MKS2 này có khả năng chuyển hóa các cơ chất trung gian của con đường tổng hợp acid béo ở chủng chủ này thành các tiền chất trực tiếp (3-ketoacid) của các 2-methylketone có chuỗi trung bình và khung carbon không bão hòa thích hợp cho nghiên cứu làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học.

Những hiểu biết về cơ sở phân tử và sinh hóa của con đường sinh tổng hợp methylketone ở thực vật đã và sẽ tiếp tục tạo tiền đề cho những nghiên cứu sử dụng vi sinh vật biểu hiện những gene liên quan đến con đường này để tổng hợp methylketone ở quy mô công nghiệp. Kết quả của hai công trình nghiên cứu trên đã góp phần đa dạng hóa nguồn gene mã hóa enzyme MKS2 cho các nghiên cứu cải biến biến dưỡng thực vật và vi sinh vật nhờ kỹ thuật di truyền. Trong tương lại, việc xác định cấu trúc tinh thể của MKS2 sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn tính đặc hiệu cơ chất của các enzyme này, từ đó chủ động hơn trong việc tổng hợp có định hướng một hay một vài loại 2-MK nhất định, với hiệu suất cao hơn và cần cho ứng dụng liên quan đến một lĩnh vực cụ thể.  

Thông tin chi tiết hơn về kết quả nghiên cứu của công trình được mô tả trong hai bài báo sau:

Khuat, V.L.U.; Bui, V.T.T.; Tran, H.T.D.; Truong, N.X.; Nguyen, T.C.; Mai, P.H.H.; Dang, T.L.A.; Dinh, H.M.; Pham, H.T.A.; Nguyen, T.T.H. Characterization of Solanum melongena Thioesterases Related to Tomato Methylketone Synthase 2. Genes 2019, 10, 549.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31323901

Tran, H.T.D.; Le, N.T.; Khuat, V.L.U.; Nguyen, T.T.H. Identification and Functional Characterization of a Soybean (Glycine max) Thioesterase that Acts on Intermediates of Fatty Acid Biosynthesis. Plants 2019, 8, 397.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31597241