Cácnhà khoa học của Đại học Cornell đã thiết kế một loại enzyme thực vật quantrọng và đưa nó vào vi khuẩn Escherichiacoli nhằm tạo ra một môi trường thí nghiệm tối ưu để nghiêncứu cách tăng tốc độ quang hợp, như là loại mồi xúc tác để cải thiện năng suấtcây trồng.
Phươngpháp này được mô tả trong một bài báo "Các cấu trúc siêu phân tử nhỏ cóthể xác định động học enzyme của thuốc lá Rubisco biểu hiện trong Escherichia coli",được công bố trên tạp chí NaturePlants.
Cácnhà khoa học đã biết rằng năng suất cây trồng sẽ tăng lên nếu họ có thể đẩynhanh quá trình quang hợp, nơi thực vật chuyển đổi carbon dioxide (CO2), nước và ánh sáng thành oxy và cuối cùng thànhđường sucrose, một loại đường được sử dụng để cung cấp năng lượng và xây dựngmô thực vật mới.
Cácnhà nghiên cứu đã tập trung vào Rubisco, một loại enzyme chậm kéo (hoặc cốđịnh) carbon từ carbon dioxide để tạo ra đường sucrose. Cùng với CO2, Rubisco đôi khi xúc tác phản ứng với oxy từ khôngkhí 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.
MaureenHanson, giáo sư sinh học phân tử thực vật tại Cornell đã cho biết: “Các bạnmuốn Rubisco không tương tác với oxy và hoạt động nhanh hơn”.
Trongmột nỗ lực để đạt được điều đó, các nhà nghiên cứu đã lấy Rubisco từ cây thuốclá và chuyển nó thành E.coli. Thuốc lá đóng vai trò như một cây trồng mẫu phổ biến trongnghiên cứu. Hanson đã cho biết: “Bây giờ chúng tôi có thể tạo đột biến để cốgắng cải thiện enzyme và sau đó kiểm tra nó ở E. coli”.
Ưuđiểm là vi khuẩn sinh sản rất nhanh, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệmRubisco đã bị thay đổi ở E.coli và nhận được kết quả vào ngày hôm kế tiếp. Bà nói: “Nếubạn giới thiệu một giống Rubisco mới vào thực vật, bạn phải đợi vài tháng” đểcó được kết quả.
Côngviệc ban đầu của một nhóm khác đã biến đổi thuốc lá Rubisco thành E. coli dẫnđến sự biểu hiện rất yếu của enzym. Ở thực vật, Rubisco bao gồm tám cấu trúcsiêu phân tử lớn và tám cấu trúc siêu phân tử nhỏ. Một gen mã hóa từng cấu trúcsiêu phân tử lớn, nhưng nhiều gen mã hóa từng cấu trúc siêu phân tử nhỏ. Quátrình phức tạp của quá trình lắp ráp enzyme và sự hiện diện của nhiều phiên bảnenzyme trong thực vật đã làm cho việc thử nghiệm với Rubisco trở nên rất khókhăn.
Đượcdẫn dắt bởi Myat Lin, một cộng sự nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệmcủa Hanson và là tác giả đầu tiên của bài báo, các nhà nghiên cứu đã có thểchia nhỏ quy trình và thể hiện một loại cấu trúc siêu phân tử lớn và một loạicấu trúc siêu phân tử nhỏ cùng nhau trong E. coli, để hiểu các đặc tính của enzym. Bằng cách làmnày, họ đã đạt được sự biểu hiện của enzyme trong E. coli phùhợp với những gì được tìm thấy ở thực vật.
Họcũng phát hiện ra rằng cấu trúc siêu phân tử Rubisco được tìm thấy trongtrichomes (những sợi lông nhỏ trên lá cây) hoạt động nhanh hơn bất kỳ cấu trúcsiêu phân tử nào được tìm thấy trong tế bào lá.
Hansoncho biết: “Giờ đây, chúng tôi có khả năng thiết kế các phiên bản mới củaRubisco thực vật ở E.coli và tìm hiểu xem các đặc tính của một loại enzyme có tốthơn hay không. Sau đó, chúng ta có thể lấy enzym đã được cải tiến và đưa nó vàocây trồng".