Tuần tin khoa học 527 (24-30/04/2017)

ES7 là gen chức năng của cây lúa trong cơ chế biến dưỡng nitrogen và tổng hợp diệp lục tố

Glutamate synthase (GOGAT) là một enzyme chủ chốt trong cơ chế biến dưỡng nitrogen và đồng hóa ammonium của thực vật. Gần đây, các nhà nghiên cứu thuộc Viện nghiên cứu lúa Trung Quốc đã phân lập và định tính được một đột biến gen es7 (early senescence 7) nhằm mục đích xác định rõ chức năng của gen ES7. Lá lúa của kiểu gen đột biến es7 bắt đầu hóa già ở giai đoạn đẻ nhánh, khoản 60 ngày sau khi gieo, và sự hóa già cang nhanh lên khi cây phát triển vào giai đoạn lúa trổ. Tuy nhiên, cây có gen đột biến es7 khi được trồng trong nghiệm thức có hàm lượng CO₂ cao, sự hóa già (senescence) và hàm lượng diệp lục tố được phục hồi bình thường. Phân tích cho thấy các gen có liên quan đến sự hóa già này điều tiết theo kiểu UP rất rõ trong kiều hình đột biến bởi gen es7. Các nhà khoa học ấy phân lập gen ES7, gen này mã hóa một enzyme có tên là “ferredoxin-dependent glutamate synthase” (Fd-GOGAT). Gen ES7 thể hiện một cách căn bản, và protein của nó định vị trong lục lạp (chloroplast). Phân tích sâu hơn cho thấy có nhiều gen liên quan đến cơ chế biến dượng nitrogen biểu hiện rất đa dạng trong khi các gen có liên quan đến hàm lượng diệp lục tố điều tiết theo kiểu DOWN  trong cây lúa đột biến. Kết quả đã chứng minh rằng ES7 có trong cơ chế biến dưỡng nitrogen và ảnh hưởng đến sinh tổng hợp chlorophyll. Sự kiện này còn liên quan đến hiện tượng photorespiration (quang hô hấp), do đó, ảnh hưởng đến sự hóa già của lá lúa. Xem Plant Science.

Chọn giống truyền thống làm thay đổi thành phần hạt bắp nhiều hơn là sự kiện cây bắp chuyển gen theo kiểu đưa vào nhiều gen một lúc

Nhóm nghiên cứu của Dow AgroSciences LLC, đứng đầu là Rod A. Herman, đã đánh giá tác động của lai chồng các tính trạng cùng một lúa (stacking) thông qua cây sự kiện GM đối với giống bắp biotechtrên cơ sở thành phần hạt bắp so sánh với giống bắp lai không GM. Độ tương đồng của thành phần hạt như vậy của bảy giống “GM stacks” bao gồm cây sự kiện DAS-Ø15Ø7-1 được so sánh với giống gốc của nó là dòng bắp lai không GM, có tính chất gần như đẳng gen  (near-isogenic hybrids: iso-hybrids). Bố trí thí nghiệm theo “scatter plots” để quan sát giữa những dòng bắp lai ấy. Thành phần hạt bắp GM chồng nhiều tính trạng cùng một lúc giống như dòng bắp lai “iso-hybrids” của chúng, không phải GM. Do đó, chọn giống không GM có khả năng chồng được nhiều tính trạng cùng một lúa tốt hơn dòng bắp transgenic hoặc dòng bắp theo kiểu “stacking các cây sự kiện GM”. Phát hiện này trả lời rằng tính chất quan trọng của việc nghiên cứu thành phần hạt bắp như vậy đối với cây trồng GM, đặc biệt mục tiêu chồng cùng một lúc nhiều tính trạng trong cây sự kiện GM  như cây “iso-hybrids”. Xem Plant Biotechnology Journal.

Sử dụng vec tơ virus trong công nghệ chỉnh sửa genome

 Thành tự gần đây về “genome engineering” (GE) giúp chúng ta có thể thanh đổi một cách chính xác trình tự DNA trong tế bào thực vật. Tuy nhiên, hiệu quả này còn lệ thuộc vào phương pháp kỹ thuật do enzyme “nucleases” trên một trình tự đặc biệt nào đó cũng như sự sửa lỗi của dây nền (templates). Tiêu biểu nhất là, việc áp dụng chuyển nạp gen gián tiếp thông qua vi khuẩn Agrobacterium hoặc súng bắn gen, cả hai chỉ chuyển nạp được một “subset” của tế bào – nơi mô đã được xử lý. Những tác nhân có hiệu quả GE như vậy được xuất phát từ những phương pháp cần phải thông dụng hóa (routine). Gần đây, các vectors tự tái bản của virus được chứng minh rằng chúng có hiệu quả cao khi phóng thích những “GE reagents” trong thực vật. Cả DNA viruses và RNA virus đều chứng minh rằng tần suất xác định gen đích khá hiệu quả đối với cây mô hình và cây trồng mô hình. Vector của Geminivirus (hình) gần đây được người ta phát triển như những công cụ đầy triển vọng nhằm cải tiến việc sửa lỗi trực tiếp một cách tương thích của cây. Tuy vậy, vẫn còn có nhiều nội dung cần được xác định thêm khi cải tiến kỹ thuật tái sinh cây được chuyển nạp với geminivirus vectors; kết quả hiện nay vẫn còn nhiều vấn đề rất khó cần thời gian nghiên cứu. Người ta đã sử dụng thành công TRV (tobacco rattle virus) với hệ thống CRISPR-Cas9. Điều này cho thấy được khả năng có thể vượt qua thách thức trong nuôi cấy mô do tốn quá nhiều công sức và thời gian để phát triển cây có tính trạng mong muốn. Syed Shan-e-Ali Zaidi và Shahid Mansoor thuộc National Institute for Biotechnology and Genetic Engineering, Pakistan, đã thảo luận về những thành tự ấytrong genome engineering, về những hạn chế, và hướng nghiên cứu trong tương lai. Xem Frontiers in Plant Science.

Enzymes thuốc lá bị bất hoạt do multiplex CRISPR-Cas9

Thực vật hoặc tế bào thực vật có thể được sử dụng để tạo ra glycoproteins trong công nghệ dược phẩm, ví dụ như kháng thể (antibodies) hoặc vaccines. Tuy nhiên, những proteins như vậy mang N-glycans với những chất cặn của thực vật kèm theo, mà các residues ấy tác động rất lớn đến ảnh hưởng hoặc hoạt động của protein này. Hai enzymes có nhiệm vụ bổ sung glycans đặc biệt của thực vật là: β(1,2)-xylosyltransferase (XylT) và α(1,3)-fucosyltransferase (FucT). Một nhóm các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Sébastien Mercx thuộc Catholic University of Louvain đã thực hiện một thí nghiệm nhằm “knock-out” hai gen XylT và bốn gen FucT trong cây thuốc lá (Nicotiana tabacum). Các tế bào huyền phù BY-2 được áp dụng hệ thống CRISPR-Cas9. Ba gen XylT và sáu gen FucT sgRNAs được người ta thiết kế nhằm xác định vị trí của các vùng trình tự bảo tồn. Sau khi chuyển nạpvào tế bào BY-2 của cây N. tabacum, người ta thu thập những dòng được chỉnh sửa gen và quan sát được phần bổ sung trong protein của chúng sau phân tích. Ba dòng có sự suy giảm đáng kể β(1,2)-xylose và α(1,3)-fucose, trong khi đó, hai dòng hoàn toàn không có hai chất này, thí nghiệm cho thấy sự bất hoạt hoàn toàn của gen. Các dòng KO này không cho thấy bất cứ có thay đổu nào về hình thái và tăng trưởng giống như cây nguyên thủy (wild types). Một dòng KO kế đó được chuyển nạp với các gen mã hóa ra kháng thể của người “IgG2 antibody”. Các mức độ thể hiện của IgG2 đều khá cao trong các dòng chuyển nạp mà chưa được chỉnh sửa. Xem Frontiers in Plant Science.

Cải biên di truyền của vi khuẩn Escherichia coli để tạo ra propionate

Propionate được người ta sử dụng làm một chất trung gian quan trọng, có tính bảo quản tốt trong việc tổng hợp sợi cellulose, thuốc diệt cỏ, dầu thơm, và dược phẩm. Những propionate sinh tổng hợp đều chủ yếu được sản xuất bởi Propionibacterium, với nhiều hạn chế trong công nghiệp chế biến. Jing Li và ctv. thuộc Chinese Academy of Sciences đã thao tác kỹ thuật di truyền trên vi khuẩn Escherichia coli, kết hợp với kỹ thuật khử chu trình TCA bằng chu trình Sbm (native sleeping beauty mutase) để kiến tạo nên lộ trình lên men trong sản sinh ra propionate kỵ khí. Nhóm nghiên cứu này đã cho thể hiện mạnh mẽ operon “Sbm” trong E. coli MG1655, đạt giá trị 0.24 g/L chất propionate. Cải biên di truyền cũng được tiến hành nhằn chuyển các sản phẩm lên men cố định thành succinate để làm tăng thêm các tiền chất (precursors), do vậy, làm tăng một ít năng suất. Các loại hình khác nhau về promoters cũng được người ta đánh giá để tối đa hóa operon “Sbm”. Promoter mang tính chất “constitutive” là Pbba đã điều hành cho mức chuẩn cao nhất là 2.34 g/L. En zyme có tên gọi là “methylmalonyl CoA mutase” của Methylobacterium extorquens AM1 được bổ sung thêm vào chủng nòi vi khuẩn T110 (pbba-Sbm) nhằm tăng cường tiến trình sinh học này. Xem BMC Biotechnology.

Hình: Thao tác kỹ thuật di truyền lên men kỵ khí “propionate” của vi khuẩn E. coli. Mũi tên in đậm là chu trình kỹ thuật; Dấu sao là các gen bị “deleted”; pck* là dạng đột biếncủa pck trong vùng promoter nhằm làm tăng sự thể hiện gen

THÔNG BÁO

Hội nghị lương thực, thực phẩm quốc tế về An Ninh Lương Thực Toàn Cầu

Hội nghị lương thực, thực phẩm quốc tế về An Ninh Lương Thực Toàn Cầu (3^rd International Food Conference on Global Food Security: Global Challenges, Local Solutions and Connected Pathways) được tổ chức tại Cape Town, South Africa, vào ngày 3-6, tháng 12 năm 2017. Xem conference website.