Tảo lam (vi khuẩn lam) có khả năng quang hợp hiệu quả hơn hầu hết các loại cây trồng, vì vậy các nhà khoa học đang nghiên cứu để tích hợp những yếu tố từ vi khuẩn lam vào cây trồng.
Hoạt động quang hợp của thực vật là sự chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng thành oxy và sucrose, một loại đường, được sử dụng để cung cấp năng lượng và phát triển các mô mới. Trong quá trình này, rubisco, một loại enzym trong tất cả các loài thực vật hấp thụ carbon vô cơ từ không khí và “sửa chữa” chuyển đổi thành hữu cơ mà thực vật sử dụng để xây dựng các mô.
Maureen Hanson, GS Sinh học Phân tử Thực vật của Liberty Hyde Bailey với TS Vishal Chaudhari trong phòng thí nghiệm. Ảnh: Dave Burbank, Đại học Cornell
Một thách thức trong việc tăng cường hiệu quả quá trình quang hợp ở cây trồng là rubisco phản ứng với cả carbon dioxide và oxy trong không khí, kết quả của phản ứng với oxy sản sinh các sản phẩm phụ độc hại làm chậm quá trình quang hợp và làm giảm hiệu suất. Nhưng ở vi khuẩn lam, rubisco được chứa trong những vi ngăn, được gọi là carboxysomes che chắn rubisco khỏi oxy.
Theo GS Hanson, carboxysome cũng giúp vi khuẩn lam tập trung hấp thụ carbon dioxide để rubisco có thể sử dụng để cố định carbon nhanh hơn. Do cây trồng không có carboxysomes, nhóm nghiên cứu tìm kiếm giải pháp đưa toàn bộ cơ chế tập trung carbon từ vi khuẩn lam vào cây trồng.
Để thiết kế hệ thống tương tự, có thể hoạt động trên cây trồng, các nhà khoa học phải loại bỏ carbonic anhydrase, một loại enzym tự nhiên, khỏi lục lạp, bào quan trong tế bào thực vật, nơi diễn ra quá trình quang hợp.
Vai trò của anhydrase là tạo ra trạng thái cân bằng giữa CO2 và bicarbonate trong tế bào thực vật, xúc tác cho các phản ứng chuyển hóa CO2 và nước tạo thành bicarbonate và ngược lại.
Nhưng để đưa được cơ chế tập trung carbon từ vi khuẩn lam vào hoạt động trong cây trồng, bicarbonate trong hệ thống phải đạt mức cao hơn nhiều lần so với mức được tìm thấy ở trạng thái cân bằng.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR / Cas9 vô hiệu hóa các gene biểu hiện 2 enzym anhydrase cacbonic có trong lục lạp. Nhưng khi nhóm nghiên cứu loại bỏ 100% hoạt động của enzym, cây không phát triển. Thực vật cần những enzym này để sản xuất ra bicarbonate, sử dụng trong quy trình tạo các thành phần mô lá.
Khi nhóm nghiên cứu đưa cây vào buồng sinh trưởng có mật độ CO2 cao, cây tiếp tục phát triển bình thường do lượng CO2 dư thừa thúc đẩy phản ứng tự phát tạo thành bicarbonate.
Từ phát hiện này, nhóm nghiên cứu thấy được giải pháp loại bỏ anhydrase nhưng phải cung cấp đủ bicarbonate. Trong nghiên cứu tiếp theo nhóm nhà khoa học dự kiến đặt một chất vận chuyển bicarbonate trên màng lục lạp để chuyển bicarbonate từ các phần khác của tế bào vào lục lạp. Cấu trúc này khiến anhydrase không cần thiết và bicarbonate bổ sung sẽ thúc đẩy quá trình quang hợp ngay cả trước khi các carboxysomes chuyển hóa thành lục lạp.
Anhydrase carbonic trong lục lạp có liên quan đến các quá trình bảo vệ của thực vật. Nhóm nghiên cứu GS Hanson tìm được giải pháp kết hợp phiên bản enzym carbonic anhydrase không hoạt động, thực hiện cơ chế tập trung carbon nhưng vẫn cho phép cây trồng duy trì khả năng chống lại bệnh tật.
