Cảm biến phát hiện hydrogen peroxide trong tế bào thực vật sống

Cảm biến H₂O₂ (xanh lục) trong 6 ngăn của tế bào.

Hydrogen peroxide (H₂O₂) thường được biết đến như một chất tẩy trắng và khử trùng. Tuy nhiên, nó cũng được sản xuất liên tục trong các tế bào  sống. Thường là sản phẩm phụ của các quá trình sinh học, đôi khi sản xuất có mục đích, chẳng hạn như để tiêu diệt mầm bệnh. H₂O₂ đóng một vai trò quan trọng như một phân tử truyền tín hiệu. Để tìm hiểu chức năng sinh học của chất này, các nhóm nghiên cứu từ TU Kaiserslautern (TUK) và Đại học Saarland đã phát triển một cảm biến nhạy với H₂O₂ của các tế bào thực vật. Cảm biến cho biết nơi sản xuất hydrogen peroxide trong tế bào và cách thức hoạt động của các đường truyền tín hiệu. Công trình đã được xuất bản trên tạp chí nổi tiếng The Plant Cell.

Giáo sư tiến sỹ Michael Schroda tại TUK, giải thích: "Chúng tôi đã phát triển một cảm biến H₂O₂ siêu nhạy đối với tảo lục đơn bào Chlamydomonas  rehardtii. Nó dựa trên một biến thể của protein phát huỳnh quang màu xanh lá, được gọi là roGFP2, được kết hợp với peroxidase. Bí quyết là peroxidase bị oxy hóa rất hiệu quả bởi hydrogen peroxide và sau đó oxy hóa roGFP2, gây ra một ít thay đổi trong đặc tính huỳnh quang của nó. Điều này cho phép đọc được những thay đổi về nồng độ H₂O₂ trong tế bào sống. Chúng tôi đã thành công khi đưa cảm biến vào sáu ngăn tế bào khác nhau và theo dõi những thay đổi về nồng độ H₂O₂ gây ra bởi sự thay đổi điều kiện môi trường như ánh sáng hoặc căng thẳng nhiệt trong thời gian thực. Chúng tôi có thể chứng minh rằng lục lạp tạo ra H₂O₂ dưới bức xạ ánh sáng mạnh. Chất này khuếch tán vào tế bào lân cận nhưng không tới hơn nhân tế bào bởi vì nó bị phân huỷ một cách hiệu quả".

Bài báo nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí The Plant Cell là kết quả nỗ lực của nhóm khoa học: Nhóm nghiên cứu của Michael Schroda hợp tác với GS. TS. Bruce Morgan từ Đại học Saarland và tiến sỹ David Scheuring từ Khoa Phytopathology tại TUK. Schroda cho biết: "Bruce Morgan đã mang kiến ​​thức của mình về protein cảm biến được tạo ra trong nấm men cho dự án này; David Scheuring đã giúp chúng tôi hình dung quá trình sản xuất và phân phối H₂O₂ trong tế bào tảo bằng công nghệ hiển vi hiện đại", Schroda nói. "Nhóm nghiên cứu của tôi đã sử dụng các phương pháp kỹ thuật di truyền để mở đường cho việc đưa cảm biến vào các ngăn cụ thể của tế bào tảo và theo dõi ảnh hưởng của việc thay đổi điều kiện môi trường".

Hệ thống cảm biến đã được xác thực thành công là một sản phẩm của sinh học tổng hợp - được phát triển bởi các nhà nghiên cứu dành cho các nhà nghiên cứu. Schroda giải thích: “Hệ thống này có dạng mô-đun, giống như một bộ gạch Lego”, Schroda giải thích. "Bằng cách chia nhỏ các gen thành các đơn vị chức năng nhỏ và thêm các đầu nối xác định, chúng tôi có thể lắp ráp các đơn vị theo bất kỳ sự kết hợp nào mà chúng tôi muốn và xây dựng các mạch di truyền cho mục đích nghiên cứu của chúng tôi ngay lập tức". Nguyên tắc của các thành phần được tiêu chuẩn hóa và  được biết đến từ lâu trong khoa học kỹ thuật, do đó đảm bảo tiến bộ khoa học trong sinh học.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org