Bộ cảm biến sinh học mới theo dõi hormone miễn dịch thực vật theo thời gian thực

Lá Arabidopsis thaliana dưới điều kiện giả (trái) so với điều kiện bị nhiễm bệnh (phải) 20 giờ sau khi nhiễm bệnh: Lá bên phải cho thấy sự tích lũy axit salcylic (SA) lan rộng từ vị trí xâm nhập của mầm bệnh. Nguồn:Bijun Tang.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sainsbury đã phát triển công cụ này nhằm mở khóa những bí mật của axit salicylic, điều có thể mang lại lợi ích cho việc bảo vệ cây trồng và tiềm năng cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sinh học của aspirin.

Từ các phương thuốc vỏ cây liễu cho đến viên nén aspirin, axit salicylic đã từ lâu trở thành một phần của sức khỏe con người. Nó cũng nằm ở trung tâm cơ chế thực vật chống lại bệnh hại.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sainsbury (SLCU), Đại học Cambridge, đã phát triển một cảm biến sinh học tiên phong cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát cách thực vật triển khai loại hormone miễn dịch then chốt này trong cuộc chiến chống lại mầm bệnh.

Được công bố trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Alexander Jones tại Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge (SLCU), đã giới thiệu SalicS1, một cảm biến sinh học được mã hóa di truyền có khả năng phát hiện và theo dõi động thái của hormone miễn dịch thực vật axit salicylic (SA) với độ chính xác tinh tế bên trong các cây sống.

Axit salicylic là một chất điều hòa trung tâm của miễn dịch thực vật, kích hoạt các phản ứng phòng vệ chống lại sự đa dạng lớn của các tác nhân xâm nhập. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học thiếu các công cụ để đo lường SA ở độ phân giải không gian và thời gian đủ cao nhằm thấu hiểu cách thực vật cân bằng giữa sinh trưởng và phòng vệ miễn dịch.

"Thực vật giữ tín hiệu axit salicylic – vốn có thể làm chậm sự sinh trưởng – ở trạng thái dự trữ và chỉ kích hoạt cẩn thận khi cần thiết. Các mầm bệnh như nấm, virus và vi khuẩn, cùng với sâu hại như rệp, đã tiến hóa nhiều cách để ức chế SA và làm suy yếu miễn dịch thực vật", tiến sỹ Jones đã cho biết. "Bằng cách cho phép giám sát SA với độ phân giải cao và chính xác, SalicS1 cung cấp cho chúng ta một phương tiện mới mạnh mẽ để thấu hiểu trận chiến quyết định về nồng độ SA, điều cuối cùng có thể cung cấp thông tin cho các chiến lược nhằm cải thiện khả năng phục hồi của cây trồng".

Sử dụng cảm biến sinh học mới, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy sự tích lũy SA dâng trào lan rộng từ vị trí xâm nhập của mầm bệnh vào các mô xung quanh, cung cấp những hiểu biết mới mẻ về cách thực vật phối hợp các cơ chế phòng vệ cục bộ và toàn cây (systemic).

Cảm biến sinh học Axit Salicylic (SalicS1) theo dõi hormone miễn dịch axit salicylic (SA). Đoạn phim này cho thấy sự tích lũy SA lan rộng từ vị trí xâm nhập của mầm bệnh trên một lá Arabidopsis.

"Axit salicylic là một trong những tín hiệu phòng vệ quan trọng nhất ở thực vật, nhưng cho đến nay, chúng ta chỉ có thể quan sát nó với độ đặc hiệu ở mức độ chi tiết rất thô", tiến sỹ Bijun Tang, tác giả chính của nghiên cứu, đã cho biết. "Với SalicS1, chúng ta có thể theo dõi SA khi nó tăng lên và giảm xuống theo thời gian thực, bên trong các mô sống và thậm chí theo dõi cách nó lan truyền từ tế bào này sang tế bào khác trong suốt quá trình nhiễm bệnh".

Khả năng đo lường SA một cách thuận nghịch và không làm tổn thương mô thực vật mở ra những cơ hội thú vị để giải quyết các câu hỏi tồn đọng lâu nay trong sinh học thực vật, đặc biệt là cách thực vật triển khai SA để đối phó với cả mối đe dọa gây bệnh (pathogenic threats) và các tác nhân môi trường bất lợi (environmental stressors).

"Công cụ này đại diện cho một bước tiến lớn trong khả năng giám sát động thái SA khi thực vật phản ứng với nhiều loại sâu bệnh và mầm bệnh có khả năng thao túng nồng độ SA", tiến sỹ Tetiana Kalachova, người mà nhóm của bà tại Viện Thực vật Thực nghiệm thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc đã đóng vai trò chủ chốt trong nghiên cứu, cho biết. "Với vai trò tối quan trọng của SA trong cả phòng vệ cục bộ và phòng vệ toàn cây, chúng tôi hy vọng phương pháp tiếp cận này sẽ giúp chúng ta khám phá các cơ chế đằng sau cách thực vật điều chỉnh sự sinh trưởng trong các môi trường phức tạp".

SalicS1 cũng có thể có những hàm ý đối với sức khỏe con người. SA là hợp chất tự nhiên đằng sau aspirin – một trong những loại thuốc được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Nhóm nghiên cứu cho biết biến thể cảm biến sinh học của họ, vốn cũng có thể phát hiện aspirin, có thể được điều chỉnh để nghiên cứu quá trình chuyển hóa aspirin trong các tế bào người.

"Đây chỉ mới là sự khởi đầu", tiến sỹ Jones nói thêm. "Giờ đây, chúng ta có cơ hội lập bản đồ vai trò của axit salicylic trên các mô thực vật, và với khả năng phát hiện SA và mầm bệnh đồng thời, để hiểu rõ hơn điều gì phân biệt giữa phản ứng miễn dịch thành công và không thành công.

“Điều này tương tự như việc thấu hiểu cách các bệnh tật, ở cả thực vật và động vật, ảnh hưởng khác nhau đến các cá thể khác nhau. Ví dụ, với COVID-19, sau khi phơi nhiễm với virus, một số người trở nên bệnh rất nặng, trong khi những người khác hầu như không gặp bất kỳ triệu chứng nào. Tại sao cùng một loại bệnh với cùng mức độ cấy nhiễm (inoculation levels) lại ảnh hưởng đến các cá thể khác nhau đến vậy? Điều tương tự cũng đúng ở thực vật".

Bằng cách hé lộ thời điểm, địa điểm và cách thức thực vật chiến thắng mầm bệnh triển khai SA, các nhà nghiên cứu hy vọng công trình của họ sẽ mở đường cho việc lai tạo hoặc kỹ thuật di truyền các giống cây trồng trong tương lai có khả năng chống chịu bệnh hại tốt hơn mà vẫn duy trì được sự sinh trưởng khỏe mạnh.

 Salicylic acid là gì

Axit Salicylic (SA) là một hóa chất tự nhiên được thực vật sản xuất. Nó hoạt động như một tín hiệu báo động nội bộ khi cây bị vi sinh vật tấn công. Khi một mầm bệnh lây nhiễm vào một bộ phận của cây, nồng độ SA sẽ tăng lên tại vị trí bị tấn công. Điều này kích hoạt một phản ứng miễn dịch giúp làm chậm hoặc ngăn chặn sự phát sinh bệnh (pathogenesis), với điều kiện SA phải đến kịp thời và với số lượng đủ.

SA cũng đóng vai trò trung tâm trong cơ chế kháng thuốc mắc phải toàn thân (SAR), một phản ứng phòng vệ của toàn bộ cây trồng, trong đó axit methylsalicylic di chuyển đến các lá và cơ quan chưa bị nhiễm bệnh để "chuẩn bị" miễn dịch chống lại các đợt tấn công trong tương lai. Trong nông nghiệp, việc sử dụng SA hoặc các hóa chất tương tự SA có thể tạm thời "chuẩn bị" cho cây trồng tự vệ hiệu quả hơn. Tuy nhiên, quá nhiều SA có thể làm chậm sự phát triển, vì vậy cây trồng phải cân bằng sản xuất một cách cẩn thận.

Con người đã khai thác axit salicylic (SA) qua hàng thế kỷ. Được chiết xuất từ vỏ cây liễu trắng (Salix alba), nó ban đầu được sử dụng như một phương thuốc tự nhiên để điều trị sốt và giảm đau. Vào thế kỷ 19, điều này đã truyền cảm hứng cho sự phát triển của aspirin (hay axit acetylsalicylic), hiện vẫn là một trong những loại thuốc được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Ngày nay, aspirin là phương pháp điều trị nền tảng (cornerstone treatment) cho bệnh tim mạch và đang được nghiên cứu về tiềm năng trong điều trị ung thư, bệnh Alzheimer và Parkinson. Việc triển khai cảm biến sinh học SalicS1 để theo dõi aspirin và axit salicylic ở độ phân giải dưới tế bào (subcellular resolution) trong các dòng tế bào người (human cell lines) có thể mở ra những hướng đi mới trong việc tìm hiểu và mở rộng các ứng dụng y học của nó.

Đỗ Thị Nhạn theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.