Sinh học tổng hợp: giải pháp tăng hiệu suất quang hợp cho nông nghiệp

Các lợi ích và ví dụ về tích hợp ngăn cơ chế tập trung carbon (CCM) chứa Rubisco tự nhiên và nhân tạo vào lục lạp thực vật.

Các nhà nghiên cứu Úc đã tạo ra các ngăn nhỏ giúp tăng cường quá trình quang hợp, từ đó có thể nâng cao năng suất lúa mì và lúa gạo, đồng thời giảm đáng kể lượng nước và phân đạm cần sử dụng.

Các nhà nghiên cứu thuộc nhóm của phó giáo sư Yu Heng Lau tại Đại học Sydney và nhóm của giáo sư Spencer Whitney tại Đại học Quốc gia Úc đã dành năm năm để giải quyết một vấn đề cốt lõi: Làm thế nào để cây trồng cố định carbon một cách hiệu quả hơn?

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế các “văn phòng” ở quy mô nano có thể chứa enzyme Rubisco trong một không gian giới hạn, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh mức độ tương thích để sử dụng trong cây trồng trong tương lai. Điều này hứa hẹn giúp cây sản xuất thực phẩm với ít tài nguyên hơn. Công trình nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Rubisco là một enzyme phổ biến trong thực vật, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình “cố định” khí carbon dioxide để thực hiện quang hợp - quá trình hóa học sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra thức ăn và năng lượng cho cây.

“Mặc dù là một trong những enzyme quan trọng nhất trên Trái Đất, Rubisco lại hoạt động kém hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên”, theo lời của tiến sỹ Taylor Szyszka, trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Xuất sắc ARC về Sinh học Tổng hợp và Khoa Hóa học tại Đại học Sydney.

“Rubisco hoạt động rất chậm và có thể phản ứng nhầm với oxy thay vì CO₂, dẫn đến một quá trình hoàn toàn khác gây lãng phí năng lượng và tài nguyên. Sai sót này phổ biến đến mức các loại cây lương thực quan trọng như lúa mì, lúa gạo, cải dầu và khoai tây đã tiến hóa theo hướng giải pháp ‘sức mạnh thô’: Sản xuất hàng loạt Rubisco”, cô cho biết.

Ở một số loại lá, có tới 50% lượng protein hòa tan chỉ là các bản sao của một enzyme duy nhất này, gây ra chi phí năng lượng và nitơ khổng lồ cho cây. “Đây là một nút thắt lớn trong việc cây trồng có thể phát triển hiệu quả đến đâu”, theo lời Davin Wijaya, nghiên cứu sinh tiến sỹ tại Đại học Quốc gia Úc, đồng tác giả của nghiên cứu.

Một số sinh vật đã giải quyết vấn đề này từ hàng triệu năm trước. Tảo và vi khuẩn lam lưu giữ enzyme Rubisco trong các ngăn chuyên biệt và cung cấp cho chúng nguồn CO₂ cô đặc. Những ngăn này giống như “văn phòng tại gia” tí hon, giúp enzyme hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn, với mọi thứ cần thiết đều ở ngay trong tầm tay.

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực tích hợp các hệ thống tập trung CO₂ tự nhiên này vào cây trồng. Tuy nhiên, ngay cả những ngăn chứa Rubisco đơn giản nhất từ vi khuẩn lam - gọi là carboxysome - cũng có cấu trúc rất phức tạp. Chúng đòi hỏi nhiều gen phải hoạt động trong sự cân bằng chính xác và chỉ có thể chứa loại Rubisco bản địa của chúng.

Nhóm nghiên cứu của Lau và Whitney đã chọn một hướng đi khác bằng cách sử dụng encapsulin - những lồng protein đơn giản có nguồn gốc từ vi khuẩn, chỉ cần một gen duy nhất để tạo ra. Hãy hình dung chúng giống như các khối Lego tự động khớp vào nhau, thay vì phải lắp ráp những món đồ nội thất phức tạp theo kiểu “tự đóng gói”.

Để đưa Rubisco vào bên trong, các nhà nghiên cứu đã gắn thêm một đoạn “thẻ địa chỉ” ngắn gồm 14 axit amin vào enzyme này - giống như mã bưu chính - giúp định hướng enzyme đến đúng vị trí bên trong ngăn đang được lắp ráp.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm ba loại Rubisco: Một từ thực vật và hai từ vi khuẩn. Họ phát hiện rằng thời điểm lắp ráp đóng vai trò quan trọng. Với các dạng enzyme phức tạp hơn, cần phải tạo Rubisco trước, rồi mới xây dựng lớp vỏ protein bao quanh.

“Rubisco không thể tự lắp ráp đúng cách nếu cố gắng thực hiện cả hai bước cùng lúc”, Wijaya cho biết.

Tiến sỹ Szyszka cho biết: “Một lợi thế thú vị khác của hệ thống của chúng tôi là tính mô-đun. Carboxysome chỉ có thể đóng gói loại Rubisco của riêng chúng, trong khi hệ thống encapsulin của chúng tôi có thể đóng gói bất kỳ loại Rubisco nào.

“Điều thú vị nhất là chúng tôi phát hiện các lỗ nhỏ trên lớp vỏ encapsulin cho phép chất nền của Rubisco đi vào và sản phẩm của nó đi ra”, cô cho biết.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng đây mới chỉ là một bằng chứng về khả năng thực hiện (proof of concept). Họ vẫn cần bổ sung thêm các thành phần khác để tạo ra môi trường hiệu suất cao mà Rubisco cần. Hiện tại, các thí nghiệm giai đoạn đầu trên thực vật đang được tiến hành tại Đại học Quốc gia Úc (ANU).

Wijaya cho biết: “Chúng tôi đã có thể sản xuất encapsulin trong vi khuẩn hoặc nấm men; việc tạo ra chúng trong thực vật là bước tiếp theo hợp lý. Kết quả sơ bộ của chúng tôi đang rất khả quan”.

Nếu thành công, cây trồng ứng dụng công nghệ cố định CO₂ nâng cao này có thể tạo ra năng suất cao hơn trong khi sử dụng ít nước và phân bón nitơ hơn. Đây là những lợi thế then chốt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng dân số đang gây áp lực ngày càng lớn lên hệ thống lương thực toàn cầu.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org