Danh pháp

Tên chung quốc tế

Cellulase

Tên danh pháp theo IUPAC

(2S,3R,4S,5S,6R)-2-[(2R,3S,4R,5R,6S)-4,5-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)-6-[(2R,3S,4R,5R,6R)-4,5,6-trihydroxy-2-(hydroxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-3-yl]oxy-6-(hydroxymethyl)oxane-3,4,5-triol

Mã CAS

9012-54-8

Cấu trúc phân tử

Công thức phân tử

C18H32O16

Phân tử lượng

504.4 g/mol

Cấu trúc phân tử

Cellulase là một cellotriose có cấu hình beta ở vị trí dị thường.

Các tính chất phân tử

Số liên kết hydro cho: 11

Số liên kết hydro nhận: 16

Số liên kết có thể xoay: 7

Diện tích bề mặt tôpô: 269Ų

Số lượng nguyên tử nặng: 34

Dạng bào chế

Dạng bột: Cellulase thường được bán dưới dạng bột đông khô để tiện lợi trong việc vận chuyển và bảo quản. Dạng này thích hợp cho các ứng dụng công nghiệp như sản xuất giấy và etanol.

Dạng lỏng: Trong một số ứng dụng, cellulase có thể được bào chế dưới dạng dung dịch enzym để pha loãng hoặc trực tiếp sử dụng.

Viên nén: Trong ngành thực phẩm và thực phẩm bổ sung, cellulase có thể được bào chế dưới dạng viên nén hoặc viên nang để tiêu thụ dễ dàng.

Dạng gel: Trong một số ứng dụng chuyên biệt, chẳng hạn như ngành dệt may, cellulase có thể được sử dụng dưới dạng gel.

Kết hợp với các enzym khác: Trong một số sản phẩm, cellulase có thể được kết hợp với các enzym khác như xylanase, amylase, hoặc lipase để đạt được hiệu suất phân giải tốt hơn hoặc để phục vụ một mục tiêu ứng dụng cụ thể.

Vi sinh vật sống chứa cellulase: Một số sản phẩm, chẳng hạn như bổ sung cho gia súc, có thể chứa vi sinh vật sống có khả năng sản xuất cellulase. Việc cung cấp vi sinh vật này giúp gia súc tiêu hóa hiệu quả hơn các thức ăn giàu cellulose.

Độ ổn định và điều kiện bảo quản

Nhiệt độ: Enzym thường mất hoạt tính khi được nung nóng ở nhiệt độ cao. Do đó, cellulase thường được bảo quản ở nhiệt độ lạnh, thường là ở nhiệt độ từ 4°C đến 8°C (tức là nhiệt độ của tủ lạnh). Đối với một số dạng bào chế đặc biệt, nó có thể cần được bảo quản ở nhiệt độ âm.

pH: Độ ổn định của cellulase cũng phụ thuộc vào pH của môi trường. Nhà sản xuất thường chỉ định một khoảng pH ổn định cho sản phẩm của họ.

Chất bảo quản: Trong một số trường hợp, chất bảo quản có thể được thêm vào để tăng độ ổn định của enzym và giảm nguy cơ nhiễm khuẩn.

Tránh ánh sáng trực tiếp: Ánh sáng mạnh, đặc biệt là ánh nắng mặt trời, có thể gây hại cho enzym. Do đó, nhiều sản phẩm chứa cellulase được bán trong bao bì không thấm ánh sáng hoặc cần được bảo quản ở nơi tối.

Điều kiện khô ráo: Đối với dạng bào chế bột, việc giữ cho sản phẩm luôn khô ráo là rất quan trọng để tránh mất hoạt tính.

Nguồn gốc

Enzyme cellulase là gì? Cellulase là một nhóm enzym có khả năng phân giải cellulose. Enzyme cellulase có ở đâu? Cellulase có thể được tìm thấy trong một loạt các vi sinh vật, cũng như trong một số loài động vật. Dưới đây là một số nguồn chính của cellulase:

Vi khuẩn: Nhiều loại vi khuẩn, đặc biệt là những loại sống trong dạ dày của động vật như bò và ngựa, có khả năng sản xuất cellulase. Một ví dụ nổi tiếng là vi khuẩn thuộc chi Clostridium.

Nấm: Nhiều loại nấm, đặc biệt là nấm mốc, sản xuất cellulase. Trichoderma reesei là một loại nấm được nghiên cứu rộng rãi vì khả năng sản xuất cellulase của nó và thường được sử dụng trong sản xuất công nghiệp của enzym này.

Động vật: Một số loài động vật, đặc biệt là những loại sống trong môi trường giàu cellulose như giun đất, có khả năng tiết ra cellulase. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, động vật không sản xuất cellulase mà thay vào đó phụ thuộc vào vi sinh vật trong dạ dày để sản xuất enzym này.

Kỹ thuật gen: Với sự phát triển của kỹ thuật gen và công nghệ sinh học, ngày nay có khả năng chèn gen mã hóa cellulase từ một loài vi sinh vật vào một loài khác (thường là một loại vi sinh vật dễ nuôi cấy và có năng suất cao như Escherichia coli hoặc một số dạng nấm). Điều này cho phép sản xuất cellulase ở quy mô công nghiệp và với chi phí thấp hơn.

Cây: Mặc dù cây chủ yếu chứa cellulose và không cần phân giải nó, một số cây đã được phát hiện sản xuất cellulase, có lẽ để điều chỉnh cấu trúc tế bào của chúng hoặc phục vụ mục đích sinh học khác.

Trong ứng dụng enzyme cellulase thương mại và công nghiệp, cellulase thường được sản xuất từ các nguồn vi sinh vật bởi vì họ có thể được nuôi cấy dễ dàng và nhanh chóng trên các chất liệu giá rẻ, và có khả năng sản xuất lượng lớn enzym.

Dược lý và cơ chế hoạt động

Giới thiệu về enzyme cellulase: Cellulase không hoạt động như các dược chất truyền thống mà chúng ta thường nghĩ đến, như thuốc giảm đau hoặc thuốc chống vi khuẩn. Thay vào đó, cellulase là một enzym, nghĩa là nó hoạt động bằng cách tăng cường hoặc thúc đẩy một phản ứng hóa học cụ thể – trong trường hợp này là phản ứng phân giải cellulose.

Cellulose là một polyme chuỗi dài của các đơn vị glucose, được kết nối với nhau thông qua các liên kết β-1,4-glycosidic. Điều này tạo ra một cấu trúc chặt chẽ và không dễ dàng bị phân giải, đặc biệt là trong hệ tiêu hóa của con người và nhiều động vật.

Cơ chế tác dụng dược lý của cellulase như sau: Cellulase phân giải cellulose bằng cách cắt đứt các liên kết β-1,4-glycosidic. Tùy thuộc vào loại cellulase, enzym này có thể hoạt động ở các vị trí khác nhau trên chuỗi cellulose:

• Endoglucanase: Cắt đứt liên kết ở vị trí ngẫu nhiên trên chuỗi cellulose, tạo ra một chuỗi ngắn hơn.
• Exoglucanase hoặc cellobiohydrolase: Hoạt động ở hai đầu của chuỗi cellulose, phân giải thành cellobiose (một disaccharide của hai đơn vị glucose).
• β-glucosidases: Phân giải cellobiose thành glucose.

Enzyme cellulase trong thực phẩm chức năng giúp phân giải cellulose trong thực phẩm dễ tiêu hóa hơn. Điều này có thể giúp con người và động vật tiếp cận và hấp thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn từ các nguồn thực phẩm giàu cellulose, như thực vật.

Ứng dụng trong y học

Enzyme cellulase ứng dụng? Cellulase, một nhóm enzym có khả năng phân giải cellulose, không chỉ giữ một vị trí đặc biệt trong công nghiệp và nông nghiệp, mà còn đem lại nhiều lợi ích cho lĩnh vực y học.

Cellulase đã được sử dụng như một phần của các thực phẩm chức năng bổ sung tiêu hóa. Trong hệ tiêu hóa của con người, chúng ta không tự sản xuất cellulase, điều này khiến việc tiêu hóa cellulose trở nên khó khăn. Cellulose, một thành phần chính của thực vật, khi không được tiêu hóa sẽ đi qua dạ dày và ruột mà không bị phân giải. Khi bổ sung cellulase, khả năng phân giải cellulose tăng lên, giúp tăng cường quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng và giảm các triệu chứng tiêu hóa như khó tiêu, đầy bụng và đau bụng.

Sự mất cân đối của các enzym tiêu hóa có thể dẫn đến một loạt các bệnh lý tiêu hóa. Cellulase, khi được bổ sung vào chế độ ăn, có thể hỗ trợ việc phục hồi sự cân bằng này. Điều này đặc biệt quan trọng đối với những người bị các bệnh lý về tiêu hóa như hội chứng ruột kích thích, viêm đại tràng hoặc bệnh Crohn.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng cellulase có khả năng phá vỡ biofilm – một lớp màng bảo vệ mà nhiều vi khuẩn sử dụng để bảo vệ chúng khỏi các tác nhân diệt khuẩn và hệ miễn dịch. Bằng cách giảm biofilm, cellulase có thể giúp tăng cường hiệu quả của các điều trị kháng khuẩn và giảm sự lan truyền của vi khuẩn gây hại.

Trong phẫu thuật, việc loại bỏ mô sẹo và dính liền là một thách thức lớn. Cellulase, do khả năng phân giải các sợi cellulose, có thể được sử dụng để phân giải mô sẹo và dính liền, giúp việc can thiệp phẫu thuật trở nên dễ dàng hơn và giảm thiểu tổn thương cho bệnh nhân.

Các dạng cellulase có khả năng phát hiện sự hiện diện của cellulose trong mẫu lâm sàng có thể được sử dụng như một công cụ chẩn đoán. Ví dụ, sự hiện diện của cellulose trong nước tiểu có thể là dấu hiệu của nhiễm khuẩn tiểu tiện, và cellulase có thể được sử dụng để phát hiện điều này.

Với sự hiểu biết sâu rộng về cơ chế hoạt động của cellulase, các nhà nghiên cứu đang khám phá khả năng sử dụng enzym này trong việc phát triển các dược phẩm mới, nhất là trong việc giải phóng dược chất qua các lớp màng sinh học hoặc giải phóng dần dần các hoạt chất dược phẩm từ các dạng bào chế đặc biệt.

Dược động học

Hấp thu

Cellulase, khi được uống dưới dạng bổ sung tiêu hóa, chủ yếu hoạt động trong dạ dày và ruột non. Khả năng hấp thụ của cellulase qua ruột và vào hệ tuần hoàn có thể rất hạn chế, vì nó là một protein có kích thước lớn và thường không được hấp thụ qua niêm mạc ruột.

Phân bố

Đa số cellulase sẽ ở lại trong ruột, tương tác với cellulose và phân giải nó. Một lượng nhỏ có thể được hấp thụ vào huyết tương, nhưng điều này không thường xuyên và thường không có ý nghĩa lâm sàng.

Chuyển hóa

Cellulase là một enzym và có thể bị phân giải bởi các enzym khác trong hệ tiêu hóa hoặc bởi các vi khuẩn đại tràng. Quá trình này giúp loại bỏ cellulase khỏi cơ thể và ngăn chặn nó hoạt động quá mức.

Thải trừ

Những phần cellulase không được hấp thụ sẽ đi qua ruột và được bài tiết qua phân. Một lượng nhỏ có thể được hấp thụ vào huyết tương và sau đó được bài tiết qua nước tiểu, nhưng điều này thường không có ý nghĩa lâm sàng.

Phương pháp sản xuất

Cellulase không phải là một enzym duy nhất mà là một hỗn hợp của nhiều enzym có khả năng phân giải cellulose. Trong công nghiệp, cellulase thường được sản xuất thông qua quá trình lên men sinh học bằng cách sử dụng vi khuẩn hoặc nấm. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về phương pháp tổng hợp cellulase trong công nghiệp:

Chọn lọc vi sinh vật sản xuất cellulase: Các vi khuẩn như Clostridium, Bacillus, và một số loại Actinomycetes có khả năng sản xuất cellulase. Trong số các nấm, Trichoderma reesei (còn được biết đến là Hypocrea jecorina) là một trong những nguồn sản xuất cellulase hàng đầu và thường được sử dụng trong công nghiệp. Ngoài ra, các nấm như Aspergillus và Penicillium cũng có thể được sử dụng.

Lựa chọn và chuẩn bị nguồn dinh dưỡng: Cellulose hoặc các hợp chất chứa cellulose như cắt tỉa cây, bã mía, vụn gỗ, hay giấy tái chế thường được sử dụng làm nguồn carbon để kích thích vi sinh vật sản xuất cellulase. Nguồn dinh dưỡng khác như nitơ, photpho, và các yếu tố vi lượng cũng cần thiết.

Quy trình lên men: Lên men có thể được thực hiện dưới điều kiện dịch (trong nước) hoặc đặc (trên chất rắn). Trong lên men dịch, vi sinh vật được nuôi cấy trong một dung dịch chứa nguồn dinh dưỡng. Trong lên men trên chất rắn, vi sinh vật được nuôi cấy trên một lớp chất rắn chứa nguồn cellulose.

Thu hoạch và tinh sạch enzyme: Sau khi lên men, cellulase được thu hoạch bằng cách lọc và ly tâm dung dịch lên men để loại bỏ các tế bào vi sinh vật và các chất cặn bã. Tiếp theo, enzyme được tinh chế thông qua các bước như siêu lọc, trao đổi ion hoặc sắc ký.

Trong những năm gần đây, kỹ thuật di truyền cũng được sử dụng để tạo ra các bộ gen sản xuất cellulase cao hiệu quả hoặc để chỉnh sửa vi sinh vật hiện có để tăng cường khả năng sản xuất enzyme.

Độc tính ở người

Khi được sử dụng làm bổ sung tiêu hóa, cellulase thường không gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Tuy nhiên, một số người có thể trải qua các triệu chứng nhẹ như tiêu chảy, đau bụng hoặc khó tiêu khi bắt đầu sử dụng hoặc khi dùng liều lượng cao. Các tác dụng phụ này thường biến mất khi giảm liều hoặc ngừng sử dụng.

Một số người có thể phản ứng dị ứng với cellulase hoặc thành phần khác có trong sản phẩm chứa cellulase. Triệu chứng dị ứng có thể bao gồm đỏ da, sưng, ngứa, hoặc khó thở.

Tính an toàn

Cellulase là một hỗn hợp của các enzym sử dụng để phân giải cellulose, một loại polysaccharide phổ biến trong thực vật. Do bản chất của nó, cellulase được coi là tương đối an toàn và không độc hại khi sử dụng đúng cách.

Tương tác với thuốc khác

Thuốc giảm đường huyết: Cellulase có thể tăng cường khả năng phân giải của chất xơ trong thực phẩm, điều này có thể ảnh hưởng đến cách glucose được giải phóng vào huyết tương. Do đó, người dùng thuốc giảm đường huyết nên thận trọng khi sử dụng cellulase và nên theo dõi mức đường huyết của mình một cách cẩn trọng.

Thuốc làm mềm phân: Kết hợp cellulase với thuốc làm mềm phân có thể tăng cường hiệu quả của cả hai, dẫn đến tiêu chảy hoặc triệu chứng tiêu hóa khác.

Thuốc kháng sinh: Việc kết hợp cellulase với một số loại thuốc kháng sinh có thể làm thay đổi sự cân bằng của vi khuẩn trong đại tràng, ảnh hưởng đến hiệu quả của cellulase.

Thuốc giảm acid dạ dày: Thuốc này có thể làm thay đổi môi trường pH trong dạ dày, có thể ảnh hưởng đến hoạt động của cellulase.

Lưu ý khi sử dụng Cellulase

Luôn tuân thủ liều lượng và hướng dẫn sử dụng khuyến nghị vì quá liều cellulase có thể gây ra các triệu chứng tiêu hóa như tiêu chảy hoặc đau bụng.

Trước khi kết hợp cellulase với bất kỳ thuốc hoặc thực phẩm chức năng nào khác, tham khảo ý kiến của bác sĩ hoặc dược sĩ.

Nếu bạn đang mang thai hoặc cho con bú, hãy thảo luận với bác sĩ trước khi sử dụng cellulase.

Người có điều kiện sức khỏe cụ thể, chẳng hạn như bệnh tiểu đường, nên thận trọng khi sử dụng cellulase vì nó có thể ảnh hưởng đến cách glucose giải phóng vào huyết tương.

Một vài nghiên cứu của Cellulase trong Y học

Hoạt tính in vitro của cellulase và ceftazidime, đơn độc và kết hợp chống lại màng sinh học Pseudomonas aeruginosa

Cơ sở: Màng sinh học là đặc điểm gây bệnh chính của Pseudomonas aeruginosa và có vai trò quan trọng trong tình trạng kháng kháng sinh và nhiễm trùng dai dẳng ở người. Chúng tôi đã nghiên cứu các hoạt động in vitro của kháng sinh ceftazidime và enzyme cellulase, riêng lẻ hoặc kết hợp với màng sinh học của P. aeruginosa.

Kết quả: Cả ceftazidime và cellulase đều làm giảm đáng kể sự hình thành màng sinh học ở tất cả các chủng tùy theo liều lượng. Sự kết hợp enzyme ở nồng độ 1,25, 2,5, 5 và 10 U/mL được thử nghiệm với 1/16× MIC kháng sinh đã làm giảm đáng kể sinh khối màng sinh học.

Cellulase cho thấy tác dụng tách đáng kể trên màng sinh học ở ba nồng độ 10 U/mL, 5 U/mL và 2,5 U/mL. Các giá trị MIC, MBC và MBEC của ceftazidime là từ 2 đến 4 µg/mL, 4 đến 8 µg/mL và 2048 đến 8192 µg/mL. Khi kết hợp với cellulase, MBEC của kháng sinh giảm đáng kể từ 32 xuống 128 lần.

Kết luận: Sự kết hợp giữa ceftazidime và cellulase có tác dụng chống màng sinh học đáng kể, bao gồm ức chế hình thành màng sinh học và loại bỏ màng sinh học ở P. aeruginosa. Những dữ liệu này cho thấy rằng liệu pháp glycoside hydrolase như một chiến lược mới có khả năng nâng cao hiệu quả của kháng sinh và giúp giải quyết các bệnh nhiễm trùng vết thương liên quan đến màng sinh học do mầm bệnh này gây ra.

Tài liệu tham khảo

1. Drugbank, Cellulase, truy cập ngày 7 tháng 9 năm 2023.
2. Kamali, E., Jamali, A., Izanloo, A. et al. In vitro activities of cellulase and ceftazidime, alone and in combination against Pseudomonas aeruginosa biofilms. BMC Microbiol 21, 347 (2021). https://doi.org/10.1186/s12866-021-02411-y
3. Pubchem, Cellulase, truy cập ngày 7 tháng 9 năm 2023.
4. Bộ Y Tế (2012), Dược thư quốc gia Việt Nam, Nhà xuất bản Y học, Hà Nội