Vi khuẩn E.coli tạo cơ hội dẫn đường để cải thiện quá trình quang hợp

Maureen Hanson, bên trái, giáo sư sinh học phân tử và di truyền học và sinh học thực vật và Myat Lin, cộng sự nghiên cứu, tại Cơ sở Chuyển đổi Thực vật Weill của Đại học Cornell. Thực hiện: Đại học Cornell.

Các nhà khoa học của Đại học Cornell đã thiết kế một loại enzyme thực vật quan trọng và đưa nó vào vi khuẩn Escherichia coli nhằm tạo ra một môi trường thí nghiệm tối ưu để nghiên cứu cách tăng tốc độ quang hợp, như là loại mồi xúc tác để cải thiện năng suất cây trồng.

Phương pháp này được mô tả trong một bài báo "Các cấu trúc siêu phân tử nhỏ có thể xác định động học enzyme của thuốc lá Rubisco biểu hiện trong Escherichia coli", được công bố trên tạp chí Nature Plants.

Các nhà khoa học đã biết rằng năng suất cây trồng sẽ tăng lên nếu họ có thể đẩy nhanh quá trình quang hợp, nơi thực vật chuyển đổi carbon dioxide (CO₂), nước và ánh sáng thành oxy và cuối cùng thành đường sucrose, một loại đường được sử dụng để cung cấp năng lượng và xây dựng mô thực vật mới.

Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào Rubisco, một loại enzyme chậm kéo (hoặc cố định) carbon từ carbon dioxide để tạo ra đường sucrose. Cùng với CO₂, Rubisco đôi khi xúc tác phản ứng với oxy từ không khí và khi xảy ra, nó tạo ra một sản phẩm phụ độc hại và lãng phí năng lượng, do đó làm cho quá trình quang hợp kém hiệu quả.

Maureen Hanson, giáo sư sinh học phân tử thực vật tại Cornell đã cho biết: “Các bạn muốn Rubisco không tương tác với oxy và hoạt động nhanh hơn”.

Trong một nỗ lực để đạt được điều đó, các nhà nghiên cứu đã lấy Rubisco từ cây thuốc lá và chuyển nó thành E. coli. Thuốc lá đóng vai trò như một cây trồng mẫu phổ biến trong nghiên cứu. Hanson đã cho biết: “Bây giờ chúng tôi có thể tạo đột biến để cố gắng cải thiện enzyme và sau đó kiểm tra nó ở E. coli”.

Ưu điểm là vi khuẩn sinh sản rất nhanh, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm Rubisco đã bị thay đổi ở E. coli và nhận được kết quả vào ngày hôm kế tiếp. Bà nói: “Nếu bạn giới thiệu một giống Rubisco mới vào thực vật, bạn phải đợi vài tháng” để có được kết quả.

Công việc ban đầu của một nhóm khác đã biến đổi thuốc lá Rubisco thành E. coli dẫn đến sự biểu hiện rất yếu của enzym. Ở thực vật, Rubisco bao gồm tám cấu trúc siêu phân tử lớn và tám cấu trúc siêu phân tử nhỏ. Một gen mã hóa từng cấu trúc siêu phân tử lớn, nhưng nhiều gen mã hóa từng cấu trúc siêu phân tử nhỏ. Quá trình phức tạp của quá trình lắp ráp enzyme và sự hiện diện của nhiều phiên bản enzyme trong thực vật đã làm cho việc thử nghiệm với Rubisco trở nên rất khó khăn.

Được dẫn dắt bởi Myat Lin, một cộng sự nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm của Hanson và là tác giả đầu tiên của bài báo, các nhà nghiên cứu đã có thể chia nhỏ quy trình và thể hiện một loại cấu trúc siêu phân tử lớn và một loại cấu trúc siêu phân tử nhỏ cùng nhau trong E. coli, để hiểu các đặc tính của enzym. Bằng cách làm này, họ đã đạt được sự biểu hiện của enzyme trong E. coli phù hợp với những gì được tìm thấy ở thực vật.

Họ cũng phát hiện ra rằng cấu trúc siêu phân tử Rubisco được tìm thấy trong trichomes (những sợi lông nhỏ trên lá cây) hoạt động nhanh hơn bất kỳ cấu trúc siêu phân tử nào được tìm thấy trong tế bào lá.

Hanson cho biết: “Giờ đây, chúng tôi có khả năng thiết kế các phiên bản mới của Rubisco thực vật ở E. coli và tìm hiểu xem các đặc tính của một loại enzyme có tốt hơn hay không. Sau đó, chúng ta có thể lấy enzym đã được cải tiến và đưa nó vào cây trồng".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org