Các nhà hóa học viện công nghệ massachusetts (mit) tăng cường hiệu quả của một loại emzyme quan trọng trong quá trình quang hợp

Trong quá trình quang hợp, một enzyme gọi là rubisco xúc tác một phản ứng quan trọng - kết hợp carbon dioxide vào các hợp chất hữu cơ để tạo ra đường. Tuy nhiên, rubisco, được cho là enzyme phổ biến nhất trên Trái Đất, lại kém hiệu quả hơn nhiều so với các enzyme khác tham gia vào quá trình quang hợp.

Các nhà hóa học tại MIT hiện đã chứng minh rằng họ có thể cải thiện đáng kể phiên bản rubisco được tìm thấy trong vi khuẩn sống trong môi trường thiếu oxy. Sử dụng một quá trình được gọi là tiến hóa có định hướng, họ đã xác định được các đột biến có thể tăng hiệu suất xúc tác của rubisco lên tới 25%.

Các nhà nghiên cứu hiện đang có kế hoạch áp dụng kỹ thuật của họ vào các dạng rubisco có thể được sử dụng trong thực vật để giúp tăng tốc độ quang hợp, từ đó có khả năng cải thiện năng suất cây trồng.

Matthew Shoulders, giáo sư Hóa học Khóa 1942 tại MIT, cho biết: “Tôi nghĩ đây là một minh chứng thuyết phục về sự cải tiến thành công các đặc tính enzym của rubisco, mở ra nhiều hy vọng cho việc chế tạo các dạng rubisco khác”.

Shoulders và Robert Wilson, một nhà khoa học nghiên cứu tại Khoa Hóa học, là tác giả chính của nghiên cứu mới, được công bố tuần này trên Proceedings of the National Academy of Sciences. Sinh viên tốt nghiệp MIT Julie McDonald là tác giả chính của bài báo.

Sự tiến hóa của hiệu quả

Khi thực vật hoặc vi khuẩn quang hợp hấp thụ năng lượng từ mặt trời, trước tiên chúng chuyển đổi nó thành các phân tử dự trữ năng lượng như ATP. Trong giai đoạn quang hợp tiếp theo, các tế bào sử dụng năng lượng đó để chuyển đổi một phân tử được gọi là ribulose bisphosphate thành glucose, đòi hỏi một số phản ứng bổ sung. Rubisco xúc tác phản ứng đầu tiên trong số đó, được gọi là phản ứng cacboxylation. Trong phản ứng này, carbon từ CO₂ được thêm vào ribulose bisphosphate.

So với các enzyme khác tham gia vào quá trình quang hợp, rubisco rất chậm, chỉ xúc tác từ một đến 10 phản ứng mỗi giây. Ngoài ra, rubisco còn có thể tương tác với oxy, dẫn đến một phản ứng cạnh tranh kết hợp oxy thay vì carbon, một quá trình làm lãng phí một phần năng lượng hấp thụ từ ánh sáng mặt trời.

McDonald cho biết: “Đối với các kỹ sư protein, đó thực sự là một tập hợp các vấn đề hấp dẫn vì những đặc điểm đó có vẻ như là những thứ mà hy vọng bạn có thể cải thiện bằng cách thay đổi trình tự axit amin của enzyme”.

Các nghiên cứu trước đây đã cải thiện độ ổn định và độ hòa tan của rubisco, mang lại những cải thiện nhỏ về hiệu suất enzyme. Hầu hết các nghiên cứu đó đều sử dụng tiến hóa có định hướng - một kỹ thuật trong đó một protein tự nhiên được đột biến ngẫu nhiên và sau đó được sàng lọc để tìm ra các đặc điểm mới mong muốn.

Quá trình này thường được thực hiện bằng PCR dễ bị lỗi, một kỹ thuật đầu tiên tạo ra đột biến in vitro (bên ngoài tế bào), thường chỉ đưa một hoặc hai đột biến vào gen mục tiêu. Trong các nghiên cứu trước đây về rubisco, nguồn đột biến này sau đó được đưa vào vi khuẩn, phát triển với tốc độ tương ứng với hoạt động của rubisco. Những hạn chế trong PCR dễ bị lỗi và hiệu quả của việc đưa gen mới vào hạn chế tổng số đột biến có thể được tạo ra và sàng lọc bằng phương pháp này. Các bước đột biến và chọn lọc thủ công cũng làm tăng thêm thời gian cho quá trình qua nhiều vòng tiến hóa.

Thay vào đó, nhóm nghiên cứu MIT đã sử dụng một kỹ thuật đột biến mới hơn mà Phòng thí nghiệm Shoulders đã phát triển trước đó, được gọi là MutaT7. Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện cả đột biến và sàng lọc trên tế bào sống, giúp tăng tốc đáng kể quá trình này. Kỹ thuật của họ cũng cho phép họ đột biến gen mục tiêu với tốc độ cao hơn.

McDonald cho biết: "Kỹ thuật tiến hóa liên tục có định hướng của chúng tôi cho phép bạn quan sát nhiều đột biến hơn trong enzyme so với trước đây".

Rubisco tốt hơn

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu bắt đầu với một phiên bản rubisco, được phân lập từ một họ vi khuẩn bán kỵ khí có tên khoa học là  Gallionellaceae, một trong những loài rubisco phát triển nhanh nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Trong các thí nghiệm tiến hóa có định hướng được thực hiện trên vi khuẩn E. coli, các nhà nghiên cứu đã giữ vi khuẩn trong môi trường có nồng độ oxy trong khí quyển, tạo ra áp lực tiến hóa để thích nghi với oxy.

Sau sáu vòng tiến hóa có định hướng, các nhà nghiên cứu đã xác định được ba đột biến khác nhau giúp cải thiện khả năng kháng oxy của rubisco. Mỗi đột biến này đều nằm gần vị trí hoạt động của enzyme (nơi nó thực hiện phản ứng carboxyl hóa hoặc oxy hóa). Các nhà nghiên cứu tin rằng những đột biến này cải thiện khả năng tương tác ưu tiên với carbon dioxide hơn oxy của enzyme, dẫn đến sự gia tăng tổng thể hiệu quả carboxyl hóa.

“Câu hỏi cơ bản ở đây là: Liệu bạn có thể thay đổi và cải thiện các đặc tính động học của rubisco để nó hoạt động tốt hơn trong môi trường mà bạn mong muốn không?”, Shoulders nói. “Điều thay đổi trong quá trình tiến hóa có định hướng là rubisco bắt đầu phản ứng với oxy ít hơn. Điều này cho phép rubisco này hoạt động tốt trong môi trường giàu oxy, nơi thông thường nó sẽ liên tục bị phân tâm và phản ứng với oxy, điều mà bạn không mong muốn.”

Trong quá trình nghiên cứu đang tiến hành, các nhà nghiên cứu đang áp dụng phương pháp này cho các dạng rubisco khác, bao gồm rubisco từ thực vật. Người ta tin rằng thực vật mất khoảng 30% năng lượng từ ánh sáng mặt trời mà chúng hấp thụ thông qua một quá trình gọi là hô hấp sáng, xảy ra khi rubisco tác động lên oxy thay vì carbon dioxide.

“Điều này thực sự mở ra cánh cửa cho rất nhiều nghiên cứu mới thú vị, và là một bước tiến vượt bậc so với các loại hình kỹ thuật đã thống trị kỹ thuật rubisco trước đây”, Wilson nói. “Rubisco tốt hơn chắc chắn sẽ mang lại những lợi ích nhất định cho năng suất nông nghiệp”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo MIT.