Từ bô bệnh viện đến bể lên men: Penicillin đã thoát khỏi phòng thí nghiệm như thế nào?

Penicillin từng cứu Albert Alexander khỏi tình trạng nhiễm khuẩn nặng, nhưng chỉ trong thời gian lượng thuốc thử nghiệm còn đủ dùng. Khi thuốc cạn, ông tái phát và qua đời. Câu chuyện ấy cho thấy câu hỏi quan trọng không chỉ là ai phát hiện ra penicillin, mà là làm thế nào một lượng nhỏ chất do nấm tiết ra có thể trở thành thuốc sản xuất bằng những bể chứa khổng lồ. [1]

Theo tài liệu của Science History Institute, câu trả lời nằm ở một chuỗi thay đổi: nuôi nấm trong dụng cụ tạm thời, hiểu điều kiện khiến nấm tạo nhiều penicillin hơn, rồi ghép đúng chủng nấm với môi trường dinh dưỡng và thiết bị lên men phù hợp. [1]

Vì sao phát hiện năm 1928 chưa đủ?

Năm 1928, Alexander Fleming nhận ra một chất do nấm Penicillium tạo ra có khả năng tiêu diệt vi khuẩn. Penicillin vì thế bắt đầu như một phát hiện sinh học đầy hứa hẹn, nhưng chưa phải một loại thuốc có thể đưa đến bệnh viện với số lượng lớn. Chất này khó tinh chế và khó thu được đủ nhiều để điều trị thực tế. [1]

Đến cuối năm 1940, cảnh ngộ của viên cảnh sát Anh Albert Alexander làm rõ khoảng cách ấy. Sau một vết xước khi tỉa hoa hồng, vi khuẩn lan vào máu, gây các ổ áp xe ở mặt và phổi. Các bác sĩ tại Radcliffe Infirmary dùng penicillin thử nghiệm; tình trạng của ông cải thiện nhanh. Tuy nhiên, lượng thuốc sản xuất được từ các dụng cụ khi ấy không đủ duy trì điều trị. Nhóm nghiên cứu còn thu hồi phần penicillin chưa được cơ thể sử dụng từ nước tiểu của ông, nhưng biện pháp này vẫn không cứu được ông sau khi thuốc cạn. [1]

Những chiếc bô đã giúp gì cho nghiên cứu?

Trước khi có thiết bị chuyên dụng, nhóm Oxford phải tận dụng gần như mọi vật chứa có thể dùng để nuôi nấm, trong đó có bồn tắm và bô bệnh viện. Năm 1939, các nhà nghiên cứu gom những dụng cụ ấy để mở rộng diện tích nuôi Penicillium. Sau đó họ chế tạo một bể lên men nhỏ, giúp thay phần nước nuôi có pha sucrose dễ dàng hơn. [1]

Cách làm này đủ tạo ra penicillin để bảo vệ chuột thí nghiệm bị nhiễm Streptococcus, loại vi khuẩn có thể gây nhiều bệnh từ viêm họng đến nhiễm khuẩn máu. Nhưng một loạt vật chứa tạm thời và một bể nhỏ vẫn không thể cung cấp lượng thuốc cần thiết cho con người. Thách thức lúc này không còn là chứng minh penicillin có tác dụng, mà là tạo ra nó đều đặn và với quy mô lớn hơn nhiều. [1]

Vì sao nuôi nhiều nấm lại không đồng nghĩa với nhiều thuốc?

Penicillium không hành xử giống nấm men dùng để sản xuất bia. Chủng nấm Oxford tạo penicillin chủ yếu khi chịu stress, chẳng hạn bị dồn trong những lớp nuôi nông. Khi nấm phát triển tự do trong một vật chứa sâu, lượng penicillin tạo ra lại rất nhỏ. Vì vậy, đưa cùng loại nấm vào một bể lớn không tự động giải quyết được bài toán; môi trường mới có thể khiến nấm tăng sinh khối nhưng lại giảm sản lượng thuốc. [1]

Các nhà nghiên cứu phải tìm cách tạo ra một quần thể nấm vừa đủ lớn vừa ở trạng thái kích thích sản xuất penicillin. Điều đó đòi hỏi kiểm soát đồng thời mật độ nấm, nhiệt độ, độ axit, lượng oxy, tốc độ khuấy và thành phần chất dinh dưỡng. Mỗi yếu tố đều tác động đến những tế bào sống trong bể, nên lên men công nghiệp là việc điều khiển một hệ sinh học biến đổi liên tục, không đơn giản là pha nguyên liệu rồi chờ thu hoạch. [1]

Bước ngoặt ở Peoria đến từ thức ăn của nấm

Tháng 7 năm 1941, nghiên cứu penicillin được triển khai tại một phòng thí nghiệm của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ ở Peoria, Illinois, nơi các nhà khoa học đã có kinh nghiệm với bể lên men. Họ phát hiện sản lượng penicillin có thể tăng khi thay loại đường nuôi nấm và bổ sung dịch ngâm ngô, một sản phẩm phụ của quá trình xay ngô. [1]

Nhưng môi trường dinh dưỡng tốt vẫn chưa đủ. Phòng thí nghiệm bắt đầu tìm các chủng Penicillium khác nhau từ mẫu đất ở nhiều nơi. Chủng hữu ích nhất lại được tìm thấy ngay gần đó, trên một quả dưa vàng bị mốc ở Peoria. Sau đó, chủng này được xử lý bằng tia X và tia cực tím để làm tăng khả năng tạo penicillin. Đây là một bước điều chỉnh có chủ đích hơn đối với nguyên liệu sinh học, dù khi ấy các nhà nghiên cứu chưa có công cụ sửa gene trực tiếp như những thập niên sau. [1]

Khi penicillin trở thành quy trình sản xuất

Sau cuộc tấn công Trân Châu Cảng tháng 12 năm 1941, các công ty Pfizer, Lilly, Merck và Squibb đồng ý phối hợp mở rộng sản xuất penicillin. Họ phải ghép chủng nấm đã được cải thiện với môi trường dinh dưỡng phù hợp, đồng thời giữ ổn định nhiều điều kiện trong từng giai đoạn lên men. Sản phẩm cuối cùng không xuất hiện riêng lẻ: nó nằm trong hỗn hợp gồm vi sinh vật, chất dinh dưỡng và các sản phẩm phụ, nên còn phải được tách và tinh chế. [1]

Đầu năm 1944, penicillin đã được sản xuất trong các bể chứa 10.000 gallon. Con số này không chỉ biểu thị một thiết bị lớn hơn những chiếc bô hay bồn tắm ban đầu. Nó đánh dấu sự chuyển đổi của penicillin từ một chất khó thu gom thành sản phẩm của cả một hệ thống: chủng nấm, công thức nuôi, điều kiện vận hành, khâu tách lọc và năng lực phối hợp giữa phòng thí nghiệm với công nghiệp dược. [1]

Nhìn lại ca bệnh của Albert Alexander, điều đáng nhớ là ông đã đáp ứng với penicillin trước khi thuốc trở thành sản phẩm đại trà. Giới hạn khi ấy không nằm ở việc chất này hoàn toàn vô hiệu, mà ở khoảng cách giữa một phát hiện có tác dụng và khả năng tạo đủ thuốc cho người bệnh. Lên men công nghiệp đã thu hẹp khoảng cách đó bằng cách biến hoạt động sống khó đoán của nấm thành một quy trình có thể kiểm soát, mở rộng và lặp lại. [1]