Trong nhiễm sắc thể của vi khuẩn được sử dụng trong công nghệ sinh học, những thiết lập khác nhau sẽ mang đến những vượt trội khác nhau

Nghiên cứu mới có thể giúp tối ưu hóa công dụng của vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens, một công cụ quan trọng cho cây trồng biến đổi gen

Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens được chụp với độ phóng đại 15.000 lần bằng kính hiển vi điện tử quét tại đại học bang Iowa.

Tùy thuộc vào khả năng cốt yếu của một vi khuẩn được sử dụng trong công nghệ sinh học - Agrobacterium tumefaciens - để chuyển DNA vào cây chủ có thể tạo ra một tác nhân gây bệnh gây hại cho cây trồng hay tăng cường di truyền cho cây trồng.Nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học ở đại học Bang Iowa đã cho thấy hiệu quả độc lực của Agrobacterium cũng khác nhau, phụ thuộc vào cách sắp xếp của các nhiễm sắc thể.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances cho thấy vi khuẩn này nhiễm vào cây trồng hiệu quả hơn khi ở trạng thái hai nhiễm sắc thể tự nhiên, nhưng cây trồng phát triển nhanh hơn và chịu đựng tốt hơn khi vật liệu di truyền được hợp nhất thành một nhiễm sắc thể.

“Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên kiểm tra trực tiếp cách cấu trúc của các nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, khả năng sống sót và gây bệnh của vi khuẩn như thế nào và nó mở ra cánh cửa cho những nghiên cứu tương tự ở các loài vi khuẩn khác”, Kan Wang cho biết.

Giáo sư Wang cho biết thêm việc hiểu cấu trúc nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến sự cân bằng của vi khuẩn Agrobacterium giữa tình trạng khỏe mạnh và sự gây nhiễm có thể giúp các nhà di truyền học tối ưu việc sử dụng nó như một công cụ để cải thiện cây trồng hoặc tìm ra các phương pháp mới để bảo vệ các cây trồng dễ bị bệnh u sùi cành, những khối u ở rễ và thân do vi khuẩn Agrobacterium gây ra.

Một cấu trúc hiếm gặp

Agrobacterium sống phổ biến trong đất và tấn công các loài cây ăn quả, cây trồng lấy hạt, nho và củ cải đường. Từ những năm 1980, các nhà khoa học đã khai thác cơ chế chuyển DNA vào nó để chèn những trình tự gen tùy chỉnh vào cây trồng. Các quá trình chuyển gen vào cây trồng dựa vào Agrobacterium đã tạo ra những cây đậu nành kháng thuốc diệt cỏ, cây bắp và cây bông kháng côn trùng, cây gạo Golden Rice giàu vitamin.

Giáo sư Wang cho biết mặc dù tính hữu ích của vi khuẩn Agrobacterium trong công nghệ sinh học thực vật là một phần lý do để các nhà khoa học tập trung nghiên cứu nó nhưng họ cũng bị hấp dẫn bởi chính cấu trúc nhiễm sắc thể cả dạng hình tròn và dạng thẳng của Agrobacterium.

“Đây là cấu trúc nhiễm sắc thể hiếm gặp khiến Agrobacterium trở thành một mô hình tuyệt vời để nghiên cứu cách các hình dạng và cách sắp xếp của nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến các đặc điểm cơ bản”.

Vài đột biến tự nhiên của Agrobacterium cũng có một nhiễm sắc thể lớn hợp nhất thành dạng tuyến tính. Sử dụng công cụ chỉnh sửa gen CRISPR, các nhà nghiên cứu tạo ra hai dòng Agrobacterium với cấu trúc nhiễm sắc thể khác nhau. Loại nhiễm sắc thể kép thông thường đã được chỉnh sửa để có hai nhiễm sắc thể hình tròn thay vì một nhiễm sắc thể tròn và một nhiễm sắc thể thẳng. Đột biến có một nhiễm sắc thể hợp nhất thẳng sẽ được chỉnh sửa để có một nhiễm sắc thể tròn.

Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với cả bốn loại vốn giống nhau về mặt di truyền, chỉ khác cấu trúc nhiễm sắc thể, cho thấy các loại hợp nhất có lợi về mặt sức khỏe và khả năng sao chép nhưng không hiệu quả trong việc gây nhiễm vào ký chủ.

Những kiểu biểu hiện gen phù hợp với các quan sát. Những công cụ phân tích bản sao mã có thể cho thấy toàn bộ RNA của sinh vật ở một thời điểm nhất định đã phát hiện sự hoạt hóa của các gen liên quan đến khả năng chống chịu và các đặc tính sinh tồn ở các dòng nhiễm sắc thể đơn. Các gen liên quan đến độc lực (khả năng gây bệnh) mạnh hơn ở các dòng nhiễm sắc thể kép.

Tác động sâu rộng

Giáo sư Wang cho biết đối với các nhà khoa học sử dụng Agrobacterium để cải thiện cây trồng và các loài thực vật khác, việc nhận thức sức mạnh của vi khuẩn thay đổi như thế nào dựa trên sự sắp xếp các nhiễm sắc thể của nó rất có giá trị.

“Điều này giúp chúng tôi tinh chỉnh các chủng tùy thuộc vào mục tiêu của chúng tôi. Chúng tôi có thể giữ sự phân chia tự nhiên của các nhiễm sắc thể để chuyển các gen khỏe vào cây trồng hoặc sử dụng phiên bản hợp nhất khi sự ổn định sinh trưởng là quan trọng hơn trong phòng thí nghiệm”, bà nói.

Những phát hiện này cũng có thể mở ra các chiến lược mới để kiểm soát bệnh sùi cành ở cây trồng, chẳng hạn như thúc đẩy các chủng gây bệnh về phía các nhiễm sắc thể kém hiệu quả hơn, Wang nói.

Bà cũng cho biết trong tương lai, các nghiên cứu về ảnh hưởng của việc thiết kế nhiễm sắc thể ở các ở các loài vi khuẩn khác có thể hướng đến việc cải thiện việc phòng ngừa hay điều trị nhiễm trùng ở người.

“Việc này mở ra một cái nhìn sâu sắc về quá trình tiến hóa, cho thấy cách vi khuẩn điều chỉnh cấu trúc DNA của chúng để thích nghi và phát triển”, bà nói. “Ảnh hưởng của việc nghiên cứu về cấu trúc bộ gen trong những năm tới có thể rất sâu rộng”.  

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Đại học Bang Iowa.