Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã biến đổi gen thành công một loại protein thực vật đảm nhận trách nhiệm tích tụ dầu trong hạt thực vật và các loại hạt ăn được.
Một minh chứng cho phương pháp đang chờ cấp bằng sáng chế của họ, cây mô hình Arabidopsis đã tích lũy thêm 15-18% dầu trong hạt khi cây biến đổi protein được trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm.
.jpg)
Cận cảnh cách nhà nghiên cứu NTU tiến sỹ Zhu Qiao tiêm protein WRI1 đã biến đổi vào lá cây Nicotiana benthamiana. Nguồn: Đại học Công nghệ Nanyang.
Tìm cách làm cho cây trồng thu được nhiều dầu hơn trong hạt là một nghiên cứu đúng đắn nhất với ngành nông nghiệp. Tuy nhiên, hầu hết các loại cây trồng sản xuất dầu – chẳng hạn như cọ dầu, đậu tương, hướng dương, hạt cải dầu, đậu phộng – đã có sẵn tỷ lệ dầu cao trong quả hoặc hạt và rất khó để tăng hàm lượng dầu của chúng thông qua các phương pháp lai giống cây trồng truyền thống.
Dầu thực vật thường được sử dụng trong chế biến thực phẩm, nhiên liệu sinh học, xà phòng và nước hoa và thị trường toàn cầu ước tính trị giá 241,4 tỷ đô la Mỹ vào năm 2021 và dự kiến sẽ tăng lên 324,1 tỷ đô la Mỹ vào năm 2027. Tăng sản lượng dầu từ thực vật cũng có thể giúp thế giới tìm kiếm sự bền vững, giúp thu hẹp diện tích đất canh tác cần thiết cho các loại cây trồng lấy dầu.
Bí quyết giúp thực vật dự trữ nhiều dầu hơn trong hạt là một trong những protein có tên là WRINKLED1 (WRI1). Trong hơn hai thập kỷ các nhà khoa học đã biết rằng WRI1 đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình sản xuất dầu hạt ở thực vật. Và cho đến nay, lần đầu tiên cấu trúc có độ phân giải cao của WRI1 đã được vẽ lại và trình bày bởi nhóm NTU, dẫn dắt bởi phó giáo sư Gao Yonggui và trợ lý giáo sư Ma Wei từ Trường Khoa học Sinh học.
Được công bố trên tạp chí Science Advances, nhóm nghiên cứu đã trình bày chi tiết cấu trúc phân tử của WRI1 và cách nó liên kết với DNA thực vật – là tín hiệu báo hiệu cho biết có bao nhiêu lượng dầu tích tụ trong hạt của nó.
Dựa trên sự hiểu biết về cấu trúc nguyên tử của phức hợp WRI1-DNA đã được báo cáo, nhóm nghiên cứu đã biến đổi WRI1 để tăng cường ái lực của nó với DNA nhằm cải thiện sản lượng dầu. Theo cách tiếp cận này, một phần trong WRI1 đã được chọn để biến đổi nhằm cải thiện khả năng liên kết của nó với DNA và một số dạng WRI1 đã được tạo ra.
Các phân tử WRI1 được lựa chọn đã được thử nghiệm thêm để đánh giá khả năng kích hoạt sản xuất dầu trong tế bào thực vật. Đúng như dự đoán của nhóm, họ đã chỉ ra rằng các phiên bản biến đổi của WRI1 đã tăng khả năng liên kết DNA lên gấp 10 lần so với WRI1 ban đầu – Kết quả cuối cùng cho thấy hàm lượng dầu nhiều hơn trong hạt của nó.
PGS. Gao là một nhà sinh vật học cấu trúc cho biết: “Có thể thấy chính xác WRI1 trông như thế nào và cách nó liên kết với DNA chịu trách nhiệm sản xuất dầu trong cây là chìa khóa để hiểu toàn bộ quá trình. WRI1 là một hệ thống điều chỉnh thiết yếu thông báo cho cây biết lượng dầu dự trữ trong hạt. Từ đó chúng tôi có thể hình dung ra ‘ổ khóa’ và tiến hành thiết kế ‘chìa khóa’ có thể mở khóa tiềm năng của WRI1”.
Cách phân tử WRI1 đã biến đổi hoạt động
Phân tích ở cấp độ nguyên tử, cấu trúc tinh thể của protein WRI1 và các chuỗi DNA xoắn kép mà nó liên kết, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng miền liên kết DNA này được bảo tồn một cách lâu dài. Điều này có nghĩa là có rất ít hoặc không có biến thể nào cho thấy nó có thể là một cơ chế liên kết phổ biến đối với nhiều loài thực vật.
Sử dụng cấu trúc tinh thể này của WRI1 làm “mục tiêu”, nhóm nghiên cứu sau đó đã tìm cách biến đổi WRI1 để gia tăng ái lực liên kết của protein với DNA mục tiêu. Các hướng dẫn mã hóa protein WRI1 đã biến đổi này sau đó được đưa vào các tế bào thực vật mục tiêu, sau đó cây trồng sẽ sử dụng “bộ hướng dẫn” mới này bất cứ khi nào nó tạo ra WRI1.
Trong các thí nghiệm trong phòng để quan sát xem WRI1 biến đổi ảnh hưởng đến sự tích tụ dầu như thế nào, cả protein biến đổi và dạng không biến đổi đều được tiêm vào lá cây Nicotiana benthamiana, đồng thời phân tích mức triacylglycerol (một dạng chính của lipid trong chất béo và dầu) được thực hiện. Protein WRI1 biến đổi tạo ra nhiều đột biến đáng kể hơn trong quá trình sản xuất triacylglycerol so với cây đối chứng được đưa vào ở dạng không biến đổi WRI1.
Các thí nghiệm sau đó cho thấy hàm lượng dầu trong hạt của Arabidopsis thaliana biến đổi chứa nhiều dầu hơn dạng không biến đổi. Thế hệ cây con biến đổi gen này cũng sẽ mang cùng loại protein WRI1 đã được biến đổi và sản xuất nhiều dầu hơn trong hạt của chúng.
Trợ lý giáo sư Ma là một nhà sinh học phân tử thực vật đã nghiên cứu WRI1 kể từ khi được đào tạo sau tiến sỹ cho biết việc biến đổi WRI1 để cải thiện khả năng liên kết của nó với DNA là một bước đi hợp lý của nhóm nghiên cứu.
Trợ lý giáo sư Ma giải thích: “Chúng tôi nhận thấy rằng WRI1 là một loại protein liên kết với chuỗi DNA thực vật và tạo ra một chuỗi hướng dẫn chuyên biệt điều chỉnh sự tích tụ dầu trong hạt. Liên kết càng mạnh thì thực vật sẽ càng tích trữ nhiều dầu trong hạt. Do đó, chúng tôi đã quyết định cải thiện phần này của WRI1 để liên kết với DNA mục tiêu của nó, vốn được bảo tồn cao ở nhiều loài thực vật mang hạt. Được bảo tồn cao có nghĩa là nhiều loài thực vật sẽ có cùng một cơ chế có thể biến đổi, vì vậy chúng ta có thể dễ dàng chuyển đổi năng suất sản xuất dầu thực vật sang nhiều loại cây trồng khác nhau trong tương lai”.
Trợ lý giáo sư Ma nói thêm: “Dầu thực vật rất quan trọng đối với chế độ ăn của con người và được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp quan trọng. Nhu cầu về dầu thực vật trên toàn cầu đang tăng rất nhanh và nghiên cứu của chúng tôi sẽ góp phần vào nỗ lực cải thiện sản xuất dầu hạt một cách bền vững và có khả năng giảm tác động đến môi trường nông nghiệp”.
Trong tương lai, nhóm sẽ nộp bằng sáng chế phương pháp biến đổi gen của họ thông qua NTUitive, phòng doanh nghiệp và sáng tạo của trường Đại học, đồng thời tìm kiếm các đối tác trong ngành để thương mại hóa phát minh của họ.
Nghiên cứu này phù hợp với kế hoạch chiến lược NTU2025 và phương châm về tính bền vững của trường đại học, nơi mà nó nhắm tới mục đích nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới hướng tới một tương lai xanh hơn.
Khi đưa ra nhận xét độc lập từ các chuyên gia, chủ tịch Michael Fam, giáo sư William Chen, Giám đốc chương trình Khoa học & Công nghệ Thực phẩm tại NTU cho biết có một số giải pháp để giải quyết nạn đói trên thế giới bao gồm tăng lượng calo và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm được sản xuất.
Giáo sư Chen là một chuyên gia về an ninh lương thực nhưng không tham gia vào quá trình nghiên cứu này cho biết: “Trong một thế giới có diện tích đất canh tác nông nghiệp hạn chế, cần phải có các công nghệ tiên tiến để trồng nhiều thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao hơn nếu chúng ta hy vọng giải quyết nạn đói trên thế giới. Khi chúng ta có thể tăng hàm lượng chất béo trong hạt và quả hạch ăn được, con người vẫn cảm thấy no do lượng calo tiêu thụ tăng lên, dù chỉ ăn một lượng ít”.
PGS. Gao Yonggui và trợ lý giáo sư Ma phát biểu: “Vì vậy thay vì trồng nhiều cây trồng hơn để nuôi sống nhiều người hơn, chúng ta cũng nên xem xét các phương pháp mà cây trồng cho nhiều calo và dinh dưỡng hơn để cùng một lượng thực phẩm có thể nuôi sống nhiều người hơn”.
Võ Thị Dung theo Phys.org, Nguồn iasvn.org