Cấu trúc 3D của các tổ hợp protein lớn này - được mô tả đầu tiên cho bất kỳ loài thực vật nào - là một bước tiến để có thể phát triển các loại thuốc diệt cỏ cải tiến nhằm vào hô hấp của thực vật. Chúng cũng có thể hỗ trợ phát triển các loại thuốc trừ sâu hiệu quả hơn, nhằm mục tiêu đến sự trao đổi chất của sâu bệnh trong khi tránh gây hại cho cây trồng.

Hầu hết các sinh vật sử dụng hô hấp để thu hoạch năng lượng từ thức ăn. Thực vật sử dụng quá trình quang hợp để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành đường, sau đó hô hấp để phân hủy đường thành năng lượng. Điều này liên quan đến các thành phần tế bào nhỏ gọi là ti thể và một bộ năm tổ hợp protein tự sắp xếp.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu Maria Maldonado, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa sinh học phân tử và tế bào, Đại học California, Davis (UC Davis), Hoa Kỳ giải thích: “Biết cách thực vật chuyển đổi năng lượng thông qua hô hấp là một phần quan trọng để hiểu cách thực vật phát triển, cách chúng thích nghi với những thay đổi của môi trường và những chiến lược chúng ta có thể sử dụng để cải thiện năng suất cây trồng. Tuy nhiên, mặc dù cấu trúc 3D của các thành phần hô hấp đã được hiểu rõ ở động vật có vú, nấm và vi khuẩn, nhưng những thách thức kỹ thuật trong việc thu thập các mẫu tinh khiết của phức hợp ty thể ở thực vật có nghĩa là những cấu trúc này hầu như vẫn chưa được biết đến”.

Nhóm nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu thu được cấu trúc 3D của ba thành phần trong chuỗi vận chuyển điện tử - phức hợp III, phức hợp IV và siêu đơn giản III-IV. Họ chiết xuất phức hợp ty thể từ giá đỗ xanh được xử lý bằng chất tẩy rửa nhẹ nhàng và sau đó ổn định chúng trước khi sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh để tạo ra các cấu trúc có độ phân giải cao. Dựa trên những cấu trúc này, nhóm nghiên cứu sau đó đã xây dựng các mô hình nguyên tử cho thấy cách phức hợp tương tác với các phân tử khác, chẳng hạn như các protein, ion và lipid khác. Đối với mỗi phức hợp trong số ba phức hợp, họ có thể xác định số lượng và cấu trúc của các tiểu đơn vị, các phân tử có khả năng liên kết với chúng và mức độ linh hoạt của cấu trúc.

Mô hình của họ cho thấy một số khía cạnh của phức hợp được chia sẻ giữa thực vật, động vật có vú, nấm và vi khuẩn, bao gồm một số thành phần ban đầu được cho là chỉ tồn tại trong thực vật. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng tìm thấy một số đặc điểm của phức hợp chỉ có ở thực vật, bao gồm cả cách thức lắp ráp của phức hợp III-IV. Điều này rất quan trọng, bởi vì nhiều loại thuốc trừ cỏ và thuốc trừ sâu nông nghiệp được tạo ra để can thiệp vào các phức hợp hô hấp, và phát hiện này có thể giúp các loại thuốc mang tính chọn lọc hơn với các loài gây hại mà thuốc tiêu diệt.

Tác giả nghiên cứu cấp cao James Letts, Trợ lý Giáo sư tại Khoa Sinh học Phân tử và Tế bào, kết luận: “Công trình của chúng tôi cung cấp các cấu trúc có độ phân giải cao của các phức hợp hô hấp của thực vật, cho phép phát triển các chất ức chế chọn lọc hơn làm thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Các phân tích so sánh sâu hơn về các cấu trúc này với số lượng phức hợp hô hấp ngày càng tăng sẽ cho phép chúng ta hiểu các nguyên tắc cơ bản của hô hấp trong sự sống của cây”.