Rêu tản (cỏ gan): Những hiểu biết mới về thiết kế thực vật thành "nhà máy xanh" để sản xuất hóa chất bền vững

Một nghiên cứu từ Khoa Khoa học Thực vật thuộc Đại học Cambridge đã làm sáng tỏ cách thức một trong những loài thực vật trên cạn lâu đời nhất thế giới, rêu tản (cỏ gan) Marchantia polymorpha, xây dựng và lấp đầy các kho chứa hóa chất chuyên biệt của nó.

Nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách cây trồng sản xuất và lưu trữ các hợp chất tự nhiên quý giá và có thể thay đổi cách chúng ta sản xuất các loại thuốc có giá trị cao, chẳng hạn như thuốc chống ung thư và các hợp chất trị liệu, bằng cách sử dụng các nhà máy bền vững dựa trên thực vật.

Jim Haseloff, trưởng nhóm Sinh học tổng hợp cho Kỹ thuật hóa sự phát triển của cây trồng tại Khoa Khoa học Thực vật cho biết: “Edith Forestier đã nghiên cứu về quá trình trao đổi chất chuyên biệt trong các hệ thống thực vật phức tạp đến với cây rêu tản (cỏ gan), một mô hình có bộ gen và cấu trúc tế bào tối giản. Bà đã tận dụng hệ thống đơn giản này để cung cấp những hiểu biết mới về việc tái thiết kế sản xuất sinh học thực vật”.

Bài báo được xuất bản trên tạp chí Communications Biology vào ngày 10 tháng 4 năm 2026. 

Lập bản đồ các thể dầu của cỏ gan

Điểm mấu chốt của khám phá này là các thể dầu của cỏ gan gồm những cấu trúc độc đáo, có màng bao bọc, được tìm thấy bên trong cây Marchantia, hoạt động như những bể chứa tự nhiên cho các hợp chất hữu cơ (terpen).

Terpen là các hợp chất hữu cơ được tìm thấy trong nhiều loại thực vật. Chúng chịu trách nhiệm tạo ra mùi hương và vị của các loại cây như cam quýt và thông, đồng thời ngăn ngừa nhiễm nấm hoặc thu hút các loài thụ phấn ở các loài khác.

Trong cây Marchantia, chúng hoạt động như các chất hóa học phòng vệ để bảo vệ cây khỏi bị ăn và được lưu trữ trong các thể dầu chuyên biệt để bảo vệ các bộ phận khác của cây khỏi tác động độc hại tiềm tàng của chúng.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ chi tiết về nơi cây Marchantia tổng hợp sesquiterpenes — một nhóm terpene chính — bằng cách theo dõi cả tín hiệu gen và protein tạo thành, đồng thời sử dụng kính hiển vi quét laser. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các tế bào thể dầu là "nhà máy" chính để tổng hợp terpene và các thể dầu dường như là nơi lưu trữ chính các terpene này.

Hướng tới “nhà máy xanh”

Ngoài chức năng quan trọng trong thực vật, terpen cũng rất cần thiết cho con người — được sử dụng rộng rãi trong y học, nông nghiệp, thực phẩm và các ứng dụng công nghiệp khác nhờ đặc tính chống viêm, kháng khuẩn và các hoạt tính sinh học khác. Hiểu được cách cỏ gan sản xuất và lưu trữ các hợp chất này có thể là một trợ thủ đắc lực trong việc này.

Sự phân vùng độc đáo của các thể dầu có thể mở đường cho sản xuất tế bào như một giải pháp thay thế bền vững, chi phí thấp so với tổng hợp hóa học truyền thống. Bằng cách sử dụng các thể dầu làm kho chứa tự nhiên, các nhà khoa học có thể biến thực vật thành “nhà máy xanh” để sản xuất các hóa chất có giá trị cao mà nếu không sẽ gây hại cho cây trồng.

Để kiểm tra tiềm năng này, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc biến đổi gen cây Marchantia để sản xuất hai hợp chất ngoại sinh (không phải bản địa):

• Taxadiene: Tiền chất quan trọng của thuốc chống ung thư mạnh Taxol®.

• Beta-amyrin: Tiền chất của các hợp chất như glycyrrhizin, chất làm ngọt tự nhiên có trong cam thảo.

Nghiên cứu cho thấy rằng mặc dù các hợp chất này có thể được sản xuất, nhưng việc chỉ đơn giản là biểu hiện quá mức các enzyme “giới hạn tốc độ” là không đủ để tăng đáng kể sản lượng trong các thể dầu. Điều này cho thấy rằng các nỗ lực kỹ thuật trong tương lai không chỉ nên tập trung vào các enzyme tạo ra các hợp chất, mà còn vào các chất vận chuyển để đưa chúng vào kho chứa.

Vai trò của MpABCG1: người gác cổng “phân tử”

Một phát hiện quan trọng của nghiên cứu là việc xác định một loại protein vận chuyển cụ thể, MpABCG1, nằm trên màng thể dầu. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng protein này hoạt động như một người gác cổng, góp phần vào sự tích tụ các chất hóa học vào thể dầu để lưu trữ.

Khi các protein này bị vô hiệu hóa bằng công nghệ CRISPR, khả năng tích lũy sesquiterpene nội sinh (tự nhiên) của cây giảm đáng kể, chứng minh rằng chỉ sản xuất thôi là chưa đủ — cây cũng cần một hệ thống “hậu cần” hiệu quả để vận chuyển các chất hóa học vào kho lưu trữ.

Edith Forestier, tác giả chính của bài báo, cho biết: “Phát hiện này thay đổi cách chúng ta suy nghĩ về quá trình trao đổi chất của thực vật. Người ta thường cho rằng việc tăng số lượng enzyme sẽ làm tăng lượng sản phẩm. Mặc dù điều này có thể đúng trong một số hệ thống, nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy ở cây Marchantia, vận chuyển và lưu trữ cũng quan trọng không kém gì sản xuất.

“Điều này có nghĩa là nếu chúng ta muốn sử dụng thực vật để sản xuất các phân tử có giá trị, chẳng hạn như terpen được sử dụng trong dược phẩm hoặc mỹ phẩm, chúng ta cần xem xét không chỉ lượng sản phẩm được tạo ra mà còn cả cách thức vận chuyển và nơi lưu trữ sản phẩm đó. Hiểu được điều này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế thực vật như những ‘nhà máy xanh’ để sản xuất các hợp chất hữu ích hiệu quả hơn”.

Định hướng cho tương lai

Nghiên cứu này làm nổi bật sự phức tạp của quá trình trao đổi chất thực vật và tầm quan trọng của cấu trúc tế bào. Bằng cách hiểu cách cây Marchantia điều chỉnh các thể dầu của nó, nhóm nghiên cứu Cambridge đang đặt nền tảng cho các hệ thống sản xuất dựa trên thực vật tinh vi hơn.

Forestier cho biết: “Một phần quan trọng của công việc này là chỉ ra không chỉ những gì hiệu quả, mà còn cả những gì không hiệu quả - và tại sao. Bằng cách minh bạch về những hạn chế này, chúng tôi hy vọng sẽ giúp những người khác tránh lặp lại các chiến lược tương tự và thay vào đó xây dựng dựa trên những phát hiện này một cách hiệu quả hơn. Khi chúng ta hướng tới nền kinh tế dựa trên sinh học, những hiểu biết sâu sắc về “cơ chế hoạt động” cơ bản của tế bào thực vật sẽ rất cần thiết cho việc sản xuất bền vững thế hệ thuốc và vật liệu công nghiệp tiếp theo”.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Cambridge.