Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm Brookhaven - Bộ năng lượng Hoa Kỳ đã tìm thấy những enzim quan trọng tham gia vào quá trình biến đổi isoflavonoid - sản phẩm thực vật tự nhiên giúp thực vật không bị lây nhiễm nấm. Chúng có thể có lợi cho sức khỏe của con người.
Nghiên cứu được công bố trực tuyến ngày 22 tháng 5 năm 2008 trên tạp chí The Plant. Nghiên cứu có thể sẽ mang lại cách thức cấy isoflavonoid tổng hợp vào cây trồng năng lượng sinh học nhằm tăng khả năng đề kháng, giảm thiệt hại mùa màng, và tăng sản lượng cho các nguyên liệu hóa học khác.
Sử dụng phương pháp miêu tả trong bài báo, các nhà nghiên cứu nhận biết được những enzim làm thay đổi cấu trúc thành tế bào thực vật. Chúng giữ vai trò rất quan trọng trong việc thay đổi khả năng tiêu hóa của thành tế bào, tạo ra sinh khối phù hợp cho việc chuyển hóa thành nguyên liệu sinh học.
Trong tự nhiên, isoflavonoid xuất hiện chủ yếu trong các cây họ đậu như cỏ ba lá, đậu nành, và cỏ linh lăng. Nó làm tăng khả năng chống chịu của thực vật đối với bệnh dịch, giúp duy trì quan hệ cộng sinh giữa thực vật và vi sinh vật sống trong rễ của chúng để tạo ra sinh khối. Một số nghiên cứu cũng nhận định rằng những sản phẩm thực vật tự nhiên này có thể ngăn ngừa một số bệnh ung thư, bệnh tim mạch, và các triệu chứng mãn kinh.
Khi nhóm nghiên cứu Brookhaven đánh dấu enzim tổng hợp isoflavonoid bằng một loại protein phát huỳnh quang xanh, họ đã rất ngạc nhiên vì tìm thấy loại enzim đã được đánh dấu nằm trong nhân tế bào thực vật (a). Đây là sự khác biệt về cách phân bố thông thường của các loại enzim khác cùng họ (c), từ đó cho thấy có tồn tại chức năng sinh học tiềm năng chưa hề được phát hiện của enzim trong nhân tế bào. Khi protein này thu ngắn lại, không thể xác định được vị trí của nhân được nữa (b), tiết lộ một hình thức phân bố khác (d). (Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven) |
Nhà sinh vật học Brookhaven Chang-Jun Liu, tác giả của bài báo cho biết: “Rất nhiều người quan tâm đến việc cấy isoflavonoid tổng hợp vào các cây không thuộc họ đậu để mang lại lợi ích cho cả thực vật và con người.”
Đây không phải là một công việc đơn giản. Thứ nhất, isoflavoniod sinh tổng hợp rất phức tạp, với nhiều bước và cần sự tham gia của nhiều loại enzim. Một thách thức khác là sự tích lũy ở nồng độ cao đối với những phân tử trung cấp có thể độc hại đối với thực vật.
Liu cho biết: “Những cây họ đậu đã tìm ra biện pháp tự bảo vệ bằng cách chuyển tích lũy từ những phân tử trung cấp sang không bào hoặc thành tế bào”. Enzim thực hiện quá trình chuyển hóa này chính là enzim mà Liu mong muốn tìm thấy.
Liu và các đồng tác giả suy luận rằng loại enzim này có thể thuộc về một họ enzim lớn thực hiện rất nhiều chức năng sinh học gây ảnh hưởng đến sự gia tăng, phát triển, đề kháng, sinh tổng hợp, cũng như làm thay đổi cấu trúc thành tế bào. Vì vậy họ bắt đầu tìm kiếm những gen chỉ dẫn tế bào tạo ra nhóm protein nói trên.
May mắn là gen sản xuất nhóm protein đó có những trình tự thông tin di truyền giống nhau. Sử dụng trình tự “dấu hiệu” như một bản đồ, các nhà khoa học đã tìm kiếm những gen có dấu hiệu tương tự trong dữ liệu gen của một loại cây họ đậu. Lần tìm kiếm đầu tiên cho ra 76 loại gen có vẻ như thuộc về nhóm gen này, bao gồm những gen ra chỉ thị cho tế bào sản xuất enzim isoflavonoid.
Dựa trên phân tích tin sinh học và thí nghiệm gen, các nhà khoa học tập trung vào 9 gen. Sau đó họ cấy 9 gen này vào vi khuẩn E. coli để tạo ra protein, rồi kiểm tra khả năng thực hiện chức năng enzim của những protein đó. Các nhà khoa học đã phát hiện thấy 3 loại enzim có những phản ứng mà họ đang tìm kiếm – chuyển phân tử trung gian trong isoflavonoid sinh tổng hợp thành một dạng có thể lưu giữ bằng cách thêm vào những chuỗi cácbon ngắn, quá trình này được gọi là acyl hóa.
Bước tiếp theo là kiểm tra 3 loại enzim acyl hóa này trong thực vật. Các khoa học gia thêm gen của từng loại enzim vào thực vật thông thường ở môi trường phòng thí nghiệm, không phải cây họ đậu, đã có chứa một số gen hình thành isoflavone không hoàn chỉnh, cuối cùng kiểm tra sản phẩm isoflavonoid acyl hóa.
Liu giải thích: “Áp dụng phương pháp này, chúng tôi đã có thể khẳng định rằng ít nhất một loại enzim có phản ứng acyl đối với isoflavonoid thực vật”
Bên cạnh việc tìm ra enzim, thí nghiệm chứng minh các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc cấy sinh tổng hợp isoflavonoid vào những loài thực vật không phải họ đậu, khiến triển vọng cấy sinh tổng hợp vào cây trồng năng lượng sinh học tiến gần hơn với thực tiễn.
Liu cho biết: “Những enzim chúng tôi tìm thấy rõ ràng đã thực hiện biến đổi rất nhiều hóa chất có cấu trúc tương tự. Chúng có thể được sử dụng trong ứng dụng trao đổi chất của nguyên liệu hóa học giá trị gia tăng bằng cách thúc đẩy tích lũy hóa chất trong cây trồng năng lượng sinh học”.
Nghiên cứu được Phòng khoa học thuộc Cơ quan nghiên cứu sinh học và môi trường - Bộ năng lượng Hoa Kỳ phối hợp với Chương trình nghiên cứu và phát triển - Phòng thí nghiệm Brookhaven đồng tài trợ. Ngoài Liu, đội nghiên cứu bao gồm Xiao-Hong Yu - nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ đang làm việc tại phòng thí nghiệm Brookhaven, và Min-Huei Chen thuộc đại học Stony Brook.