Cây con cải xoong (Arabidopsis thaliana). Kính phóng đại cho thấy chóp rễ. Nhân tế bào có màu từ xanh lam đến xanh lục và vàng đến đỏ khi lượng auxin tăng lên. Phần lớn auxin nằm ở nơi có độ nghiêng (vectơ hấp dẫn) là lớn nhất. Phần phía dưới đây: cấu trúc hóa học của auxin (S. Shanmugaratnam, A.C. Stiel, M. Kolb).

Hormone auxin có tầm quan trọng chính đối với sự phát triển của thực vật. Các nhà khoa học tại Đại học Bayreuth và Viện Sinh học Phát triển Max Planck ở Tübingen hiện đã phát triển một bộ cảm biến mới giúp hiển thị sự phân bố không gian của auxin trong tế bào của thực vật sống theo thời gian thực. Cảm biến mở ra những tầm nhìn hoàn toàn mới về hoạt động bên trong của thực vật cho các nhà nghiên cứu. Hơn nữa, những ảnh hưởng của việc thay đổi điều kiện môi trường đối với sự tăng trưởng cũng có thể nhanh chóng được phát hiện. Nhóm nghiên cứu trình bày kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí Nature.

Ảnh hưởng của hormone thực vật auxin lần đầu tiên được mô tả một cách khoa học cách đây gần 100 năm. Ngày nay, chúng ta biết rằng auxin kiểm soát vô số quá trình trong tế bào thực vật - đó có thể là quá trình phát triển của phôi trong hạt, sự hình thành hệ thống rễ hoặc hướng phát triển theo sự di chuyển của ánh sáng mặt trời. Trong mọi trường hợp, hormon có chức năng điều phối các phản ứng của cây đối với các kích thích bên ngoài.

Để làm được điều này, auxin phải luôn hiện diện trong mô tế bào, nơi cần kích hoạt phản ứng với kích thích bên ngoài. Thật vậy, thông thường xảy ra trường hợp auxin cần thiết ở những vị trí rất khác nhau trong mô tế bào trong một khoảng thời gian rất ngắn, điều này dẫn đến sự phân bố lại không gian nhanh chóng. Với bộ cảm biến sinh học mới, được gọi tắt là AuxSen, lần đầu tiên có thể quan sát động thái của các quá trình này trong thời gian thực. Các tín hiệu ánh sáng chỉ ra vị trí của auxin trong mô tế bào. Điều đặc biệt ở cảm biến này là nó không phải là một thiết bị kỹ thuật phải đưa vào cây trồng mà là một loại protein nhân tạo mà cây trồng được thiết kế để tự sản xuất.

Ứng dụng của cảm biến sinh học đã dẫn đến một số phát hiện đáng ngạc nhiên. Một ví dụ đó là sự phân bố lại nhanh chóng của auxin khi cây bị đảo trộn. Khi chóp rễ không còn hướng xuống dưới mà hướng theo đường chéo lên trên, các phân tử auxin chịu trách nhiệm cho sự phát triển của rễ tập hợp ở mặt dưới mới của đầu rễ chỉ trong vòng một phút. Và khi được đặt ở phía bên phải, sự phân bố cũ của auxin được phục hồi chỉ sau một phút.

Sự kết hợp giữa hóa sinh protein và sinh học thực vật

Sự phát triển của bộ cảm biến sinh học là kết quả của nhiều năm hợp tác liên ngành. Một nhóm do giáo sư tiến sỹ Birte Höcker, giáo sư thiết kế protein tại Đại học Bayreuth dẫn đầu và một nhóm do giáo sư tiến sỹ Gerd Jürgens tại Viện Sinh học Phát triển Max Planck dẫn đầu, đã kết hợp kiến thức và nhiều năm kinh nghiệm của họ. "Người ta mong đợi, bộ cảm biến sinh học mới sẽ khám phá thêm nhiều hiểu biết không thể lường trước về hoạt động bên trong của thực vật và phản ứng của chúng với các kích thích bên ngoài trong những năm tới. Sự phát triển của cảm biến là một quá trình dài mà chúng tôi đã có được những hiểu biết cơ bản, giáo sư tiến sỹ Birte Höcker cho biết.

Hiện đã có rất nhiều sự quan tâm đến cảm biến mới và dự kiến rằng các biến thể được tối ưu hóa của AuxSen sẽ được phát triển trong vài năm tới để cho phép phân tích tốt hơn các quá trình đa dạng được điều chỉnh bởi auxin trong thực vật. Với công bố mới đăng trên tạp chí Nature, chúng tôi mong muốn khuyến khích cộng đồng khoa học tăng cường nghiên cứu theo hướng này. Kết quả của chúng tôi cho đến nay là một ví dụ cho thấy sự hợp tác liên ngành có hiệu quả như thế nào trong lĩnh vực này", giáo sư Gerd Jürgens từ Viện Sinh học Phát triển Max Planck ở Tübingen giải thích.

Ưu điểm của bộ cảm biến sinh học: Chất lượng tín hiệu cao và cường độ liên kết tối ưu với auxin.

Tại thời điểm bắt đầu của sự phát triển cảm biến sinh học là một protein trong vi khuẩn E. coli, liên kết với axit amin tryptophan, nhưng kém hơn nhiều với auxin liên quan đến hóa học. Protein này được kết hợp với hai protein phát huỳnh quang khi được kích thích với ánh sáng có bước sóng nhất định. Nếu các protein đối tác này đến rất gần nhau, sự phát huỳnh quang của chúng sẽ tăng lên đáng kể. Sau đó xảy ra sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET).

Bước tiếp theo rất quan trọng: Protein ban đầu phải được biến đổi gen để nó liên kết tốt hơn với auxin và ít tốt hơn so với tryptophan. Đồng thời, hiệu ứng FRET của các phân tử đối tác phải luôn xảy ra khi protein liên kết với auxin, và chỉ khi đó. Với mục tiêu này, khoảng 2.000 biến thể của protein đã được tạo ra và thử nghiệm cho đến khi cuối cùng tìm thấy một phân tử đáp ứng tất cả các yêu cầu. Do đó, cảm biến sinh học AuxSen ra đời: tín hiệu huỳnh quang mạnh cho biết hormone quan trọng nằm ở đâu trong mô tế bào.

Một thách thức khác là cho phép thực vật tự sản xuất AuxSen. Một mặt, phải đảm bảo rằng AuxSen sẽ liên kết với các phân tử auxin hiện có trong càng nhiều tế bào càng tốt. Đây là cách duy nhất để lập bản đồ phân bố không gian của auxin trong tế bào một cách hoàn chỉnh và để tạo ra chất lượng tín hiệu cao. Tuy nhiên, mặt khác, các phân tử auxin không bị ngăn cản lâu dài để thực hiện các nhiệm vụ ban đầu của chúng trong cơ thể thực vật vì liên kết với AuxSen.

Tuy nhiên, hai nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tìm ra một giải pháp thỏa hiệp. Thực vật đã được biến đổi gen theo cách để tạo ra một lượng lớn AuxSen trong mô tế bào của chúng. Nhưng điều này sẽ chỉ xảy ra khi được kích thích bởi một chất đặc biệt - và sau đó điều này sảy ra chỉ trong một thời gian ngắn. Bằng cách này, bộ cảm biến sinh học cung cấp ảnh chụp nhanh chính xác về sự phân bố auxin trong tế bào mà không ảnh hưởng vĩnh viễn đến các quá trình được điều khiển bởi auxin.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org