GS. Miao Yansong (NTU) cùng các cây mô hình trong phòng thí nghiệm, nơi nhóm nghiên cứu đã tăng cường phản ứng miễn dịch của cây bằng các phương pháp kỹ thuật sinh học (bioengineering).

Các nhà khoa học của Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một phương pháp giúp "tăng cường vượt trội" phản ứng miễn dịch tự nhiên của thực vật.

Các thí nghiệm được thực hiện trên Arabidopsis thaliana, một loài thực vật mô hình thuộc họ Cải (Brassicaceae), cùng họ với các loại rau thường dùng như cải ngọt (chye sim) và cải làn (kai lan).

Dựa theo lượng khuẩn đo đếm được trong các thử nghiệm lây nhiễm mầm bệnh (pathogen infection assays), những cây được cải biến để có hệ miễn dịch tăng cường có mức tăng sinh vi khuẩn thấp hơn khoảng 53% so với cây đối chứng không được tăng cường.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy phản ứng miễn dịch mạnh hơn không ảnh hưởng đến sự sinh trưởng bình thường của cây.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances. Nghiên cứu sử dụng phương pháp biến đổi các thụ thể miễn dịch dựa trên kỹ thuật protein tổng hợp (synthetic protein engineering) nhằm tăng cường khả năng của cây trong việc chống lại các vi sinh vật gây bệnh.

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế cho hai công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu này thông qua NTUitive, công ty đổi mới sáng tạo và khởi nghiệp của Trường, với sự hỗ trợ của sáng kiến Đổi mới sáng tạo và Khởi nghiệp của NTU (NTU Innovation and Entrepreneurship).

Nhóm nghiên cứu của NTU tin rằng cách tiếp cận này mở đường cho các ứng dụng tiềm năng trên cây trồng trong tương lai, theo đó các công ty giống có thể phát triển hạt giống rau và cây trồng có khả năng chống chịu bệnh tốt hơn.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm những cách khác để áp dụng cùng nguyên lý này cho các cây lương thực, thực phẩm đang sinh trưởng, trong đó có các chất kích thích được thiết kế riêng có thể được áp dụng trực tiếp lên cây để cải thiện phản ứng miễn dịch của cây đối với bệnh.

Giúp cây trồng phát hiện bệnh nhanh hơn

Tính kháng bệnh đặc biệt quan trọng trong các trang trại nhà kính hoặc nhà màng và trang trại trồng thẳng đứng, nơi số lượng lớn cây trồng giống nhau thường được trồng gần nhau. Nếu một mầm bệnh xâm nhập vào trang trại như vậy, bệnh có thể lây lan nhanh chóng qua toàn bộ cây trồng.

Thực vật có các thụ thể trên bề mặt tế bào, hoạt động giống như những người lính canh trên tháp canh, phát hiện các dấu hiệu của vi khuẩn và các vi sinh vật có khả năng gây hại khác.

Trong các thí nghiệm trong phòng, các nhà nghiên cứu của NTU phát hiện rằng việc tập hợp các thụ thể này lại với nhau với số lượng phù hợp có thể đưa cây vào trạng thái cảnh giác cao hơn, giúp cây nhận diện kẻ xâm nhập hiệu quả hơn và kích hoạt phản ứng miễn dịch mạnh hơn.

Tuy nhiên, nhiều hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn. Việc gom quá nhiều thụ thể lại với nhau tạo ra phản ứng ban đầu mạnh nhưng cản trở quá trình tái tạo tự nhiên của chúng, làm mất khả năng phòng vệ lâu dài.

Giáo sư Miao Yansong, Trường Khoa học Sinh học (School of Biological Sciences) của NTU, người chủ trì nghiên cứu, cho biết: "Phương pháp của chúng tôi tương tự như bố trí thêm lính canh trên một tháp canh. Có số lượng phù hợp sẽ giúp dễ phát hiện kẻ xâm nhập và phản ứng nhanh chóng, nhưng có quá nhiều thì lại gây cản trở. Nhóm nghiên cứu đã tìm ra một cách sắp xếp tối ưu giúp tăng cường và duy trì phản ứng miễn dịch mà không ảnh hưởng đến sự sinh trưởng bình thường của cây".

Xác định số lượng tối ưu của các cảm biến miễn dịch

Các nhà nghiên cứu đã khảo sát một thụ thể miễn dịch có tên là thụ thể cảm nhận flagellin 2 (flagellin sensing 2, FLS2). Thụ thể này nhận biết flagellin, một protein có liên quan đến nhiều loài vi khuẩn.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật chụp ảnh đơn phân tử (single-molecule imaging) và kỹ thuật protein, nhóm đã thử nghiệm nhiều cách tập hợp khác nhau của FLS2 và các thụ thể đối tác (partner receptors) của nó.

Họ nhận thấy cách sắp xếp gồm hai thụ thể FLS2 và hai thụ thể đối tác cho phản ứng tối ưu. Cách sắp xếp này làm tăng cường tín hiệu miễn dịch, đồng thời vẫn cho phép các thụ thể được loại bỏ và thay thế bình thường sau khi đã hoàn thành vai trò của chúng.

Quan trọng hơn, khả năng giám sát ban đầu được cải thiện này giúp các cơ chế phòng vệ miễn dịch sẵn có của cây phản ứng hiệu quả hơn mà không cần phải tái cấu trúc phức tạp hệ thống phòng vệ của cây.

Từ cây mô hình đến các cây lương thực, thực phẩm tiềm năng

Các thí nghiệm được thực hiện trên Arabidopsis thaliana, loài được xem là cây mô hình tiêu chuẩn để nghiên cứu sinh học thực vật vì di truyền và các quá trình tế bào của loài này đã được hiểu rõ.

Nhiều phát hiện nền tảng thu được từ Arabidopsis đã giúp các nhà khoa học bước đầu làm sáng tỏ các quá trình sinh học tương tự ở cây lương thực, thực phẩm.

Nguyên lý kỹ thuật thụ thể này có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại rau ăn lá phổ biến trên thế giới, bao gồm cải thảo (Chinese cabbage), cải ngọt (chye sim), cải làn (kai lan) và cải xoăn (kale).

Tuy nhiên, cần tiến hành thêm các nghiên cứu. Đối với mỗi loại cây trồng, cần xác định, cải biến và thử nghiệm các thụ thể miễn dịch cùng cách sắp xếp tối ưu trước khi có thể sử dụng phương pháp này vì mục đích thương mại.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu của NTU đang tập trung vào các loại rau ăn lá và các cây trồng có giá trị cao khác phù hợp với canh tác trong nhà.

GS. Miao đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế cho hai công nghệ được sử dụng trong nghiên cứu này.

Công nghệ thứ nhất là phương pháp kỹ thuật protein tổng hợp, cho phép các nhà khoa học kiểm soát cách các thụ thể tập hợp với nhau trên bề mặt tế bào thực vật và xác định cách sắp xếp tạo ra phản ứng miễn dịch mạnh hơn và bền vững hơn.

Công nghệ thứ hai là nền tảng chụp ảnh và phân tích tế bào sống (live-cell imaging and analysis platform), cho phép các nhà khoa học đo số lượng từng thụ thể riêng lẻ đã tập hợp trên bề mặt của một tế bào thực vật còn sống.

Kết hợp lại, hai công nghệ này cho phép các nhà nghiên cứu định lượng hoạt động của các cảm biến miễn dịch và xác định cách cải biến chúng để đạt hiệu quả tốt hơn.

Phát triển các hạt giống có khả năng chống chịu bệnh tốt hơn

Trong khi nghiên cứu đăng trên Science Advances sử dụng phương pháp biến đổi gen để đưa cách sắp xếp thụ thể được tăng cường vào cây, nhóm hiện đang nghiên cứu các hướng tiếp cận thay thế, chẳng hạn một chất phụ gia mà nông dân có thể áp dụng trực tiếp lên cây trồng hiện hữu để cải thiện phản ứng miễn dịch của chúng.

GS. Miao cho biết thêm: "Giờ đây, khi đã hiểu cách các thụ thể miễn dịch này có thể được tập hợp một cách chính xác để tạo ra phản ứng mạnh hơn và có công nghệ để tìm ra cấu hình tối ưu, kiến thức này có thể được ứng dụng theo nhiều cách khác nhau.

Một hướng đi là thông qua các giống cây trồng và hạt giống được cải tiến. Nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển các phương pháp mà cuối cùng có thể được áp dụng trực tiếp lên cây trồng đang sinh trưởng".

Hỗ trợ nghiên cứu nông nghiệp đô thị của Singapore

Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ chương trình Hệ thống canh tác trong nhà kính của Singapore (Singapore Indoor Farming System, SingFarmS).

Chương trình SingFarmS được hỗ trợ bởi Singapore Food Agency và National Research Foundation, Singapore thuộc chương trình Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE). SingFarmS quy tụ NTU Singapore, Wageningen University & Research (Hà Lan) và các viện nghiên cứu khác của Singapore.

Chương trình có kinh phí 25 triệu S$, nhằm mục tiêu phát triển các hệ thống canh tác trong nhà kính có năng suất cao hơn, sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn và có khả năng chống chịu tốt hơn.

Công trình cũng dựa trên các nghiên cứu và năng lực được hỗ trợ bởi NRF Investigatorship do GS. Miao nắm giữ và Institute for Digital Molecular Analytics and Science (IDMxS), một trung tâm nghiên cứu xuất sắc liên ngành.

Các kết quả từ công trình trước đó, được hỗ trợ bởi kinh phí Ministry of Education Tier 3 về cơ chế ngưng tụ phân tử sinh học (biomolecular condensation), cũng đóng góp vào đột phá nghiên cứu này.

Nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách mở rộng quy mô và điều chỉnh công nghệ cho các cây lương thực, thực phẩm phù hợp với canh tác trong nhà, đồng thời kiểm tra xem khả năng miễn dịch được tăng cường có còn hiệu quả đối với các mầm bệnh khác nhau trong điều kiện canh tác quy mô lớn hơn hay không.

Lê Thị Kim Loan theo ntu.edu.sg