Khám phá “công tắc tắt” có thể một ngày nào đó giúp cây trồng tự sản xuất phân bón cho chính chúng

Phía trên: bản đồ cryo-EM (độ phân giải 3.16 Å)  của siêu phức hợp nitrogenase. Phía dưới: cấu trúc Cryo-EM làm nổi bật một đơn vị NifDK tetrameric với hai phức hợp heterotrimeric NifI ở hai đầu.

Nitơ thiết yếu đối với sự sống. Nó là thành phần cấu tạo của protein, DNA và nhiều thành phần khác của tế bào. Mặc dù nitơ chiếm gần 80% bầu khí quyển của trái đất nhưng hầu hết vi sinh vật không thể sử dụng trực tiếp nguồn nitơ này. Một số vi sinh vật có thể giải quyết được vấn đề này thông qua quá trình được gọi là cố định đạm, quá trình mà nitơ khí quyển được chuyển hóa thành amoniac. Quá trình này được thực hiện bởi enzyme nitrogenase. Hiểu rõ cơ chế hoạt động của enzyme này mang lại những tác động quan trọng trong việc tối ưu quá trình sản xuất amoniac sinh học, thành phần thiết yếu trong các loại phân bón thông dụng.

Cơ chế tắt phân tử trong quá trình cố định đạm

Một nhóm nghiên cứu hợp tác của các nhà khoa học trên khắp Hoa Kỳ đứng đầu là các nhà khoa học thuộc đại học Arkansas, đã nghiên cứu enzyme nitrogenase và cơ chế điều hòa của enzyme này ở các sinh vật sinh tổng hợp methane được gọi là methanogen. Sử dụng kỹ thuật cryo-electron microscopy (cryo-EM) độ phân giải cao, các nhà khoa học đã phát hiện nitrogenase ở các loài vi sinh vật methanogen có thể liên kết với các protein điều hòa tạo thành một phức hợp không hoạt động mà các tác giả gọi là siêu phức hợp protein. 

Siêu phức hợp mới phát hiện này đóng vai trò như một công tắc ở mức độ phân tử, ngăn quá trình cố định đạm khi năng lượng hay dinh dưỡng bị hạn chế. Các tín hiệu phản ánh mức dinh dưỡng và năng lượng của tế bào có thể phá vỡ cấu trúc phức hợp này và phục hồi hoạt tính của enzyme, cho phép quá trình cố định đạm tiếp tục diễn ra.

Dan Lessner, giáo sư khoa học sinh học tại đại học Arkansas và là đồng tác giả của nghiên cứu này cho biết: “Phát hiện này hé lộ một chiến lược hoàn toàn mới cho việc điều hòa một trong những phản ứng sinh hóa quan trọng nhất trên Trái Đất”.

Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng vì quá trình cố định đạm là nền tảng của nông nghiệp, sản xuất lương thực và các hệ sinh thái trên toàn cầu. Nó cũng giúp nâng cao hiểu biết về sinh lý vi sinh vật, chu trình nitơ trên toàn cầu và chu trình tiến hóa của quá trình cố định đạm đồng thời cung cấp những thông tin hữu ích cho các ứng dụng về công nghệ sinh học và nông nghiệp bền vững trong tương lai.

Hướng tới các loại cây trồng có khả năng tự cố định đạm

“Hạn chế lớn nhất cho sự sinh trưởng của thực vật là có đủ lượng nitơ cần thiết ngay cả khi chúng có đủ ánh sáng mặt trời, nước và CO₂”, giáo sư Lessner giải thích. “Nếu thiếu nitơ, cây trồng sẽ không phát triển tốt để tạo ra lượng sinh khối lớn phục vụ cho nhu cầu của con người và động vật”.

Ông cho biết thêm, hiện nay việc sản xuất phân bón hóa học chuyển nitơ từ khí quyển thành amoniac trong các lò phản ứng áp suất cao sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Phân bón nitơ sau đó được rải trên đồng ruộng với hy vọng là cây trồng sẽ hấp thụ chúng. Trong suốt quá trình này, một lượng phân bón đáng kể bị rửa trôi từ đất vào các dòng nước dẫn đến hiện tượng tảo nở hoa do phú dưỡng, gây suy thoái môi trường sống và mất đa dạng sinh học.

Giáo sư Lessner nói tiếp: “Enzyme nitrogenase có thể thực hiện việc chuyển nitơ khí quyển thành amoniac theo cơ chế sinh học ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn. Có nhiều điều thú vị khi tìm hiểu cách thức hoạt động của enzyme nitrogenase và cách nó xúc tác cho phản ứng này. Lý do là chúng ta có thể sử dụng nó như một chất xúc tác sinh học để sản xuất amoniac làm phân bón theo cách tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn. Nhờ những nghiên cứu về di truyền, chúng ta có thể chuyển các thông tin di truyền đã được nghiên cứu vào cây trồng, chẳng hạn như bắp”.

“Điều này cho phép cây trồng tự cố định đạm từ khí quyển và giảm bớt nhu cầu phân bón, một bước tiến sẽ mang lại những tác động to lớn về mặt kinh tế, xã hội và môi trường”, ông cho biết.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org