Tương lai của kỹ thuật di truyền trên cây trồng

Việc gắn và lắp ráp các tiểu đơn vị của enzyme Rubisco được hỗ trợ bởi hệ thống chaperon và một số yếu tố cụ thể khác. Những yếu tố này tạo thành dây chuyền lắp ráp dẫn tới sự hình thành của enzym chức năng. Rubisco xúc tác  sự cố định CO2 trong quá trình quang hợp. Quá trình quang hợp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học, phân tách nước để giải phóng O₂ và gắn CO₂ vào đường.

Quang hợp là quá trình quan trọng cho sự phát triển của thực vật. Các nhà khoa học mong muốn thúc đẩy quá trình quang hợp để đáp ứng nhu cầu về thực phẩm ngày càng tăng bằng cách biến đổi enzyme Rubisco. Hiện nay, các nhà nghiên cứu tại Viện Hóa sinh Max Planck đã thành công trong việc sản xuất enzyme chức năng Rubisco trong một loại vi khuẩn. Điều này cho phép biến đổi di truyền enzyme này. Nghiên cứu này có thể một ngày nào đó có thể đem lại năng suất cây trồng tốt hơn và các giống cây trồng với khả năng sử dụng nước một cách hiệu quả hơn hoặc có khả năng chống chịu được nhiệt độ cao tốt hơn. Các kết quả này đã được đăng trên tạp chí Science.

Dân số thế giới dự kiến sẽ vượt mức 9 tỷ người vào năm 2050. Với nhu cầu tiêu thụ lượng thực ngày càng cao thì việc cải thiện năng suất cây lương thực là rất cần thiết. Để đáp ứng nhu cầu lương thực toàn cầu, các nhà khoa học muốn tăng hiệu quả của quá trình quang hợp và qua đó tăng năng suất cây trồng.

Tăng cường quá trình quang hợp

Quá trình quang hợp là quá trình sinh học cơ bản cần thiết cho sự phát triển của thực vật và hỗ trợ sự sống trên trái đất. Thực vật sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời để chuyển hóa CO₂ và nước sang đường và ôxy (O₂). Enzyme quan trọng trong quá trình này là Rubisco. Rubisco xúc tác bước đầu tiên trong việc sản xuất carbohydrate ở thực vật và cố định CO₂ từ khí quyển. Khi làm như vậy, thực vật sử dụng CO₂ để tạo ra sinh khối và tạo năng lượng cần thiết cho sự phát triển. Tuy nhiên, Rubisco là một enzyme không hiệu quả khi nó hấp thụ CO₂ chậm. Các phản ứng cạnh tranh với O₂ làm giảm hiệu quả xúc tác của Rubisco. Vì những lý do này, Rubisco thường hạn chế tốc độ quang hợp và sự phát triển của cây trồng, chính vì thế Rubisco trở thành mục tiêu của các kỹ thuật di truyền.

Biến đổi di truyền của enzyme thực vật Rubisco làm cho quá trình quang hợp sẽ được tăng cường bởi sự biểu hiện chức năng của enzyme này được sản xuất ở một vật chủ khác. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học đã thất bại trong việc tạo ra một loại enzym thực vật Rubisco có hoạt tính trong vật chủ vi khuẩn - một mục tiêu đã được tìm kiếm trong nhiều thập kỷ qua. Nhóm nghiên cứu do Manajit Hayer-Hartl lãnh đạo nhóm nghiên cứu "Chaperon hỗ trợ quá trình gấp cuộn Protein" đã xác định được các yêu cầu để biểu hiện và lắp ráp enzyme Rubisco ở vi khuẩn. Phát hiện của họ được dự kiến sẽ tăng tốc rất nhiều nỗ lực để cải thiện quá trình quang hợp thông qua kỹ thuật di truyền biến đổi enzyme Rubisco.

Dây chuyền lắp ráp Rubisco

Enzyme Rubisco bao gồm 8 tiểu đơn vị lớn và 8 tiểu đơn vị nhỏ. Sự gấp cuộn Protein của tiểu đơn vị lớn được hỗ trợ bởi chaperon cụ thể và các lồng gấp đại phân tử, trong đó các protein mới được tổng hợp có thể giả định cấu hình chức năng thích hợp của chúng. Sau khi gấp, nhiều protein khác (chaperones) hỗ trợ lắp ráp hợp lý các tiểu đơn vị trong phức hợp enzyme lớn.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra enzyme thực vật Rubisco ở vật chủ vi khuẩn bằng cách biểu hiện đồng thời chaperones thực vật và Rubisco thực vật trong cùng một tế bào. Điều này không chỉ giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế lắp rắp phức tạp của Rubisco, mà còn để thay đổi gen Rubisco nhằm cải thiện tính chất của Rubisco. Một khi chúng tôi thu được một biến thể Rubisco với một đặc điểm mong muốn, chúng có thể chèn gen biến đổi trở lại vào các tế bào thực vật. Đây là một bước quan trọng để cải thiện quá trình quang hợp thông qua kỹ thuật di truyền biến đổi Rubisco. "Hệ thống biểu hiện vi khuẩn giống như một dây chuyền lắp ráp ô tô. Trước đây, mỗi phiên bản được tối ưu hóa của Rubisco phải được thể hiện một cách tỉ mỉ trong cây chuyển gen, mất một hoặc nhiều năm để tạo ra - như chế tạo một chiếc xe hơi bằng tay - giờ đây chúng ta có thể làm cho hàng trăm hoặc hàng ngàn biến thể Rubisco trong vài ngày hoặc vài tuần, giống như chế tạo ô tô trong dây chuyền lắp ráp tự động ", Hayer-Hartl giải thích.

Các biến thể Rubisco cao cấp

Kỹ thuật di truyền tạo điều kiện cho các nỗ lực để tạo ra các biến thể Rubisco với các tính chất chức năng cải tiến. Điều này có thể không chỉ dẫn đến sự gia tăng năng suất cây trồng, mà còn là tạo ra giống cây trồng với hiệu quả sử dụng nước tăng lên hoặc tính chống chịu nhiệt độ cao. Những đặc tính ưu việt  này có ý nghĩa quan trọng trong điều kiện khí hậu nóng lên toàn cầu và sự khan hiếm nước ngày càng tăng.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org