Đây chính là siêu quang hợp

Năng suất tăng 40%: đây là thành tựu đạt được bởi một nhóm nghiên cứu từ dự án quốc tế RIPE, bằng cách chỉnh sửa DNA của cây thuốc lá.

Việc siêu quang hợp đã thành hiện thực: Bằng cách lai tạo thực vật và can thiệp vào gen của chúng, các nhà hóa sinh đã vượt qua hàng tỷ năm chọn lọc tự nhiên. Họ đã thành công trong việc thâm nhập vào cốt lõi của quá trình sinh học quan trọng nhất, nguồn gốc của hầu hết năng lượng và chất hữu cơ trên Trái đất đó chính là quang hợp và họ đã cải thiện nó. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Essex đã làm tăng sinh khối cây trồng lên tới 15%; một nhóm từ Đại học Illinois làm tăng lên 40%; và các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Úc hy vọng rằng con số này có thể sớm đạt 60%. Mười năm sau khi khởi động, dự án quốc tế RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), trong đó tất cả các phòng thí nghiệm này đều tham gia, đang cho ra những kết quả cụ thể đầu tiên.

Can thiệp vào quá trình quang hợp? Ý tưởng táo bạo này đã được khởi xướng cách đây 20 năm... "Trong một bối cảnh đặc biệt", Giovanni Finazzi, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh lý tế bào và thực vật ở Grenoble nhấn mạnh. "Khoảng hai mươi năm trước, năng suất nông nghiệp bắt đầu trì trệ. Sau đó, ngành nông nghiệp đã trải qua nhiều cải tiến. Quá trình quang hợp đã được xác định là bước tiếp theo".

Phải nói rằng, dù có tác động mạnh mẽ đến Trái Đất, hiện tượng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học này lại có hiệu suất khá khiêm tốn: Chỉ có 5% năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành sự phát triển của cây! Do đó, tiềm năng cải thiện là rất lớn.

Việc còn lại là đi sâu vào cơ chế hoạt động và xác định chính quy trình để tối ưu hóa nó.

Trên lý thuyết, quá trình này có vẻ đơn giản: Cây hấp thụ CO₂ và nước, chuyển hóa chúng bằng ánh sáng thành đường để nuôi dưỡng và phát triển, đồng thời giải phóng oxy vào không khí. Cơ chế này hoạt động trong một ngăn nằm bên trong tế bào chất của tế bào thực vật, gọi là lục lạp. Nghe có vẻ dễ dàng! Ngoại trừ việc cơ chế này dựa trên không dưới 170 quá trình khác nhau, bao gồm 2 chu kỳ phụ thuộc lẫn nhau, 3 cách cố định carbon khác nhau và thậm chí còn khai thác các hiện tượng được mô tả bởi cơ học lượng tử, khoa học về vật chất ở quy mô nguyên tử  (xem   S&V   số 1159). Trên thực tế, quang hợp là một trong những quá trình khó khăn nhất trong sinh học, một cơn ác mộng về sự phức tạp mà các nhà khoa học đã phải vật lộn kể từ khi nó được phát hiện vào thế kỷ 18.

MỘT ENZYME QUAN TRỌNG

Khó khăn đầu tiên là xác định các yếu tố chiến lược kiểm soát hiệu quả của quá trình này. Do đó, các nhóm tham gia dự án RIPE bắt đầu bằng cách mô phỏng toàn bộ quá trình, từ gen đến tán lá, tái tạo chính xác sự tương tác giữa các điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, ánh nắng mặt trời, lượng mưa, v.v.) và quá trình quang hợp, từ lá đến lục lạp. Điều này cho phép họ xác định được hai đòn bẩy. Thứ nhất liên quan đến các cơ chế gắn liền với ánh sáng. Cây chỉ sử dụng một phần ánh sáng, bản thân ánh sáng này lại phân bố không đều trên lá và không phản ứng nhiều với sự dao động của ánh nắng mặt trời. Thứ hai là một loại enzyme nằm ở trung tâm của quá trình quang hợp:  RuBisCO. Chính enzyme này đồng hóa carbon được cây hấp thụ và cố định nó vào một chất chuyển hóa, RuBP. Các enzyme khác sau đó chuyển đổi carbon này thành đường, cho phép cây phát triển. Ngoại trừ trong 35% trường hợp, thay vì carbon, RuBisCO lại cố định một phân tử oxy... tạo ra chất thải: Một loạt các phân tử mà cây sau đó phải loại bỏ hoặc chuyển hóa. Đây là quá trình quang hô hấp, một quá trình đặc biệt tốn nhiều năng lượng.

CỐT LÕI CỦA CƠ CHẾ TẾ BÀO

Các nhóm nghiên cứu sau đó đã tìm cách tác động lên hai đòn bẩy này và xác định được năm cơ chế đầy hứa hẹn (xem hình minh họa): tối ưu hóa tán lá; giảm bớt sự bảo vệ của cây trồng khỏi ánh nắng mặt trời; tối ưu hóa sự vận chuyển CO₂ qua lá; kích thích enzyme RuBisCO và cuối cùng là tái tạo chất chuyển hóa RuBP. Các nhóm nghiên cứu khác nhau được dành riêng cho mỗi trục này, sử dụng toàn bộ công cụ sinh học thực vật - từ lai tạo truyền thống đến kéo phân tử CRISPRCas9 cho phép chỉnh sửa gen cục bộ. Các thí nghiệm tập trung vào một loại cây cụ thể: cây thuốc lá, đơn giản và dễ thao tác về mặt di truyền và ngoài thực địa.

Để tiếp cận được enzyme quý giá RuBisCO và tối ưu hóa hoạt động của nó, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Quốc gia Úc đã thực hiện một thử thách khác vào năm 2018. Lần này, họ lại sử dụng các đặc tính của tảo. Tảo thực chất được trang bị thêm một cơ quan, đó là carboxysome, một loại vi khoang của vi khuẩn cho phép giải phóng carbon. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc cấy ghép carboxysome này vào lục lạp của cây thuốc lá, càng gần RuBisCO càng tốt, từ đó mở ra con đường tiếp cận trực tiếp với carbon. "Đây là một bước tiến lớn đối với chúng tôi", Ben Long thuộc Đại học Quốc gia Úc cho biết. Trước tiên, cần phải chọn đúng carboxysome, tức là carboxysome có trình tự gen ngắn nhất có thể, sau đó tái tạo nó sao cho phù hợp với cây thuốc lá và cuối cùng đưa nó vào cây bằng phương pháp bắn sinh học: Đoạn DNA được bắn ra với áp suất cao để xuyên qua thành tế bào và tự cấy vào lục lạp, nơi chứa enzyme... Một thách thức cơ học thực sự.  "Ngay cả sau những thao tác của chúng tôi, thể carboxysome vẫn lớn hơn gấp 5 đến 6 lần so với kích thước bình thường của thể carboxysome trong lục lạp!"  Dimitri Tolleter, thành viên của dự án RIPE từ năm 2013 đến 2018 tại trường đại học Úc và hiện là nhà nghiên cứu tại Đại học Angers, hào hứng cho biết.

Và cuộc phiêu lưu chưa dừng lại ở đó: nhóm nghiên cứu hiện đang cố gắng đưa các bơm tổng hợp vào màng của lục lạp để nồng độ carbon dioxide cao hơn có thể đến được enzyme RuBisCO… Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, kỹ thuật này có thể mang lại sự gia tăng năng suất ngoạn mục lên đến 60%!  "Trong khi hiện nay, chỉ cần đạt được mức tăng năng suất 5% trên đồng ruộng đã là điều tuyệt vời rồi!"  Dimitri Tolleter cười nói.

MỘT SIÊU THỰC VẬT ... PHÒNG THÍ NGHIỆM

Chưa kể, mùa hè này, nhóm nghiên cứu thứ ba từ Đại học Essex lần đầu tiên đã thành công trong việc thúc đẩy quá trình quang hợp bằng cách kích thích đồng thời không chỉ một mà hai quá trình. Nhờ đó, họ đã tăng năng suất của hai loài thuốc lá lên đến 15% bằng cách tác động đồng thời vào quá trình tái tạo chất chuyển hóa RuBP, nơi chứa các phân tử carbon, và quá trình vận chuyển electron trong lục lạp, cho phép chất chuyển hóa này hoạt động. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu còn nhận ra rằng cây chuyển gen cũng bắt đầu sử dụng nước hiệu quả hơn nhiều!

Từ đó bắt đầu mơ về một siêu thực vật, kết hợp tất cả những tối ưu hóa. Khả năng quang hợp siêu việt toàn diện, được xây dựng từng chuỗi DNA trong hàng chục phòng thí nghiệm. Mặc dù vẫn còn nhiều trở ngại, bởi vì  "càng biến đổi thực vật, chúng ta càng có nguy cơ gặp phải những tác dụng phụ không mong muốn ". Nhưng Dimitri Tolleter vẫn khẳng định: "Vâng, một siêu thực vật như vậy không phải là điều không thể trên lý thuyết!".

Tuy nhiên, việc thử nghiệm và cải thiện khả năng chống chịu của các mẫu vật thí nghiệm này trong điều kiện thực tế vẫn là điều cần thiết. Bởi vì cây càng được điều chỉnh để thích nghi với môi trường rất cụ thể, thì khả năng chống chịu của cây trước các mối nguy hiểm từ môi trường càng giảm – những mối nguy hiểm chắc chắn sẽ gia tăng cùng với biến đổi khí hậu. Trên hết, rõ ràng là cần phải thành công trong việc chuyển từ cây trồng trong phòng thí nghiệm – cây thuốc lá, được chọn vì tính đơn giản của nó – sang các sinh vật phức tạp hơn, chẳng hạn như ngô, dùng làm thực phẩm. Chưa kể đến cuộc tranh luận về đạo đức và sinh thái cần thiết sẽ nảy sinh khi các sinh vật biến đổi gen mới này được đưa vào sử dụng ngoài thực địa…“Sẽ mất ít nhất 15 năm”, Ben Long đánh giá.

Nhưng chúng ta có thể thấy rằng, nếu như loại cây siêu quang hợp này vẫn còn lâu mới được trồng ngoài đồng ruộng, thì nó đã phát triển mạnh mẽ trong các phòng thí nghiệm.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Dự án RIPE.