Các nhà khoa học đã đưa một phức hợp protein chuyên biệt vào lục lạp của thực vật để cung cấp nhiều carbon dioxide (CO₂) hơn cho enzyme đảm nhận nhiệm vụ cố định carbon trong quá trình quang hợp. Hoàn thành nhiệm vụ khó khăn này là một bước tiến lớn hướng tới mục tiêu của các nhà nghiên cứu là cải thiện quá trình quang hợp để góp phần vào sản xuất lương thực bền vững trên toàn thế giới.

 Hình ảnh do Loraine Rourke tạo ra bằng cách sử dụng Alfafold 3 (Abramson và cộng sự 2024). Dự đoán cấu trúc chính xác của tương tác phân tử sinh học với Alfafold. Nature) và màng được dự đoán bằng cách sử dụng MembraneFold Santiago Gutierrex, Wojciech G. Tyczynski Wouter Boomsma, Felix Teufel, Ole Wither (2022). MembranceFold: Trực quan hóa cấu trúc và cấu trúc liên kết protein xuyên màng.

Người ta chấp nhận rộng rãi rằng quang hợp, quá trình tự nhiên mà tất cả thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng và tạo ra sản phẩm, không hiệu quả như mong đợi. Mặc dù điều này đúng với thực vật, nhưng vi khuẩn lam, một loại vi khuẩn giống tảo cực nhỏ sống trong nước ngọt và nước biển, đã làm chủ quá trình quang hợp thông qua quá trình tiến hóa. Trong môi trường nước, CO₂ cần thiết cho quá trình quang hợp phản ứng với nước để tạo thành một hợp chất gọi là bicarbonate. Trong vi khuẩn lam, protein vận chuyển bicarbonate đưa chúng vào tế bào để chuyển đổi thành CO₂ để quang hợp. Một nhóm cộng tác từ Đại học Quốc gia Úc (ANU), Đại học Newcastle (UoN) và Đại học Tiểu bang Louisiana (LSU) đã bắt đầu đưa protein vận chuyển bicarbonate này từ vi khuẩn vào thực vật để xem liệu thực vật có thể có cùng những cải thiện về hiệu quả quang hợp hay không.

Các nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này đã thành công trong việc biểu hiện các protein vận chuyển này ở thực vật, nhưng những nỗ lực trước đó dựa vào các protein cũng vận chuyển các ion natri, đôi khi khiến cây bị bệnh. Để cố gắng tránh cạm bẫy này, nhóm đã bắt đầu với một chất vận chuyển bốn phần được gọi là Chất vận chuyển Bicarbonate 1 (BCT1) không yêu cầu các ion khác hoạt động. Điều này đã giải quyết được một vấn đề, nhưng họ sẽ phải tìm ra cách bật hoặc kích hoạt BCT1 khi nó đã ở trong cây để nó hoạt động. Quá trình mà nhóm đã trải qua để vượt qua thách thức này và các hướng mà công trình này có thể dẫn đến, được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu gần đây, được công bố trên tạp chí the Journal of Experimental Botany.

“Công trình của chúng tôi mở rộng các nghiên cứu cơ bản để tập trung vào BCT1, vốn chưa được nghiên cứu rộng rãi trước đây”, Sarah Rottet,tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sau tiến sỹ tại Phòng thí nghiệm Price tại ANU cho biết. “Việc phát triển các chiến lược để đảm bảo định vị chính xác và kích hoạt chức năng trong lục lạp thực vật là một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực sinh học tổng hợp và công nghệ sinh học thực vật”.

BCT1 vận chuyển CO ₂ từ không khí đến lục lạp của cây, nơi nó được chuyển đổi thành đường, là chất cần thiết cho sự phát triển. Để BCT1 tăng lượng CO₂ mà cây có thể hấp thụ, nó cần được đặt ở một vị trí cụ thể trên màng trong của lục lạp. Ngay cả sau khi chất vận chuyển được đặt vào, chúng thường cần những hoàn cảnh cụ thể để được kích hoạt. Khi một protein được lấy ra khỏi vi khuẩn lam và đưa vào cây chủ, hoàn cảnh và môi trường cần thiết để kích hoạt nó có thể không tồn tại, vì vậy các nhà khoa học phải cân nhắc cách kích hoạt chất vận chuyển khi cấy ghép nó.

Bất chấp những trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã có thể đạt được mục tiêu của họ là nhắm mục tiêu chính xác bốn protein của phức hợp BCT1 vào lục lạp của một mô hình thực vật. Họ cũng đã phân lập được một dạng BCT1 luôn hoạt động bằng cách mô phỏng quá trình chọn lọc tự nhiên trong môi trường phòng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu đang mong muốn tiếp tục thử nghiệm và tối ưu hóa BCT1 ở cả mô hình thực vật và các loài cây trồng mục tiêu của họ để tăng cường hiệu suất quang hợp và thu giữ carbon.

Tiến sỹ Rottet cho biết: “Mặc dù chúng tôi đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc thiết kế một chất vận chuyển protein phức tạp để tăng cường hấp thụ carbon dioxide ở thực vật, nhưng việc đạt được mục tiêu này khó khăn hơn dự kiến ​​ban đầu. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nhắm mục tiêu chính xác và kích hoạt các chất vận chuyển này trong tế bào thực vật. Bất chấp những trở ngại, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một lộ trình chi tiết và các công cụ mới cho những nỗ lực trong tương lai nhằm thúc đẩy quá trình quang hợp và cải thiện năng suất cây trồng”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Dự án RIPE.