Hấp Thu Không Khí, Tạo Ra Nguyên Liệu
- Thứ hai - 25/07/2016 11:48
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Mọi sự sống trên hành tinh, bằng cách này hay cách khác, phụ thuộc vào chu trình carbon: đó là khả năng mà thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn nhất định “biến đổi” carbon dioxide (CO2) từ môi trường cùng với nguồn năng lượng mặt trời hoặc những nguồn năng lượng khác thành đường - điểm khởi đầu cần thiết cho các chu trình sống. Tại đỉnh của chuỗi thức ăn là những sinh vật khác nhau (“tiến hóa hơn”) sử dụng phương thức đối lập để sinh tồn: chúng hấp thu đường (được tổng hợp từ thực vật và vi sinh vật) và thải ra carbon dioxide vào khí quyển. Hình thức sinh tồn này được gọi là “dị dưỡng”. Con người là loài dị dưỡng theo nghĩa sinh học bởi vì thức ăn con người hấp thụ đều có nguồn gốc từ chu trình cố định carbon của những loài khác.
Mọi sự sống trên hành tinh, bằng cách này hay cách khác, phụ thuộc vào chu trình carbon: đó là khả năng mà thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn nhất định “biến đổi” carbon dioxide (CO2) từ môi trường cùng với nguồn năng lượng mặt trời hoặc những nguồn năng lượng khác thành đường - điểm khởi đầu cần thiết cho các chu trình sống. Tại đỉnh của chuỗi thức ăn là những sinh vật khác nhau (“tiến hóa hơn”) sử dụng phương thức đối lập để sinh tồn: chúng hấp thu đường (được tổng hợp từ thực vật và vi sinh vật) và thải ra carbon dioxide vào khí quyển. Hình thức sinh tồn này được gọi là “dị dưỡng”. Con người là loài dị dưỡng theo nghĩa sinh học bởi vì thức ăn con người hấp thụ đều có nguồn gốc từ chu trình cố định carbon của những loài khác
Liệu rằng việc “tái thiết lập” một sinh vật bậc cao hơn trong chuỗi thức ăn sử dụng đường và thải ra carbon dioxide để chúng hấp thụ carbon dioxide từ môi trường và tạo ra đường cần thiết cho việc sinh trưởng của nó có khả năng xảy ra hay không? Đó là điều mà các nhà khoa học của viện Khoa Học Weizmann nghiên cứu. Tiến sĩ Niv Antonovsky, người đứng đầu nhóm nghiên cứu này tại phòng thí nghiệm của giáo sư Ron Milo ở Viện Khoa học Thực Vật và Môi Trường cho rằng khả năng cải thiện chu trình cố định carbon là vấn đề then chốt để chúng ta có thể đương đầu với những thách thức trong tương lai, chẳng hạn như sự cần thiết phải cung cấp thức ăn cho số lượng dân số ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên đất, nhiên liệu hóa thạch giảm
Những nhà khoa học của Viện ứng phó với thử thách này bằng cách chèn con đường trao đổi chất của quá trình cố định carbon và sản sinh đường (còn được gọi là chu trình Calvin) vào vi khuẩn E.coli, một loại vi khuẩn “sử dụng” đường và thải ra carbon dioxide.
Milo và nhóm của ông cho rằng họ có thể gắn chèn những gene chứa thông tin vào trong genome của vi khuẩn. Tuy nhiên, enzyme chính được sử dụng trong thực vật để cố định carbon, RuBisCO, sử dụng như là cơ chất cho phản ứng cố định CO2 phản ứng một chất chuyển hóa độc hại cho tế bào vi khuẩn. Vì vậy, họ cần thiết kế chính xác mức độ biểu hiện của những gene khác nhau trong con đường nhiều bước này.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các vi khuẩn có khả năng tổng hợp những enzyme cố định carbon, tuy nhiên về tổng thể thì “bộ máy” không “vận chuyển được hàng”. Mặc dù hệ thống cố định carbon được biểu hiện, vi khuẩn vẫn không thể sử dụng CO2 cho việc tổng hợp đường, thay vào đó lại dựa vào nguồn cung cấp đường bên ngoài. Antonovsky nói: “Chúng tôi đang làm việc với một loài sinh vật đã tiến hóa hàng triệu năm để “sử dụng” đường mà không phải CO2. Cho nên chúng tôi dựa vào sự tiến hóa để tạo ra một hệ thống mà chúng tôi đã dự định”
Antonovsky, Milo và nhóm nghiên cứu, bao gồm Shmuel Gleizer, Arren Bar-Even, Yehudit Zohar, Elad Herz và những người khác, thiết kế những bồn chứa gọi là “chemostats”, họ nuôi vi khuẩn trong đó và thúc đẩy chúng hấp thu CO2. Vào lúc đầu, cùng với những bong bóng khí CO2, vi khuẩn trong bồn được cung cấp một lượng lớn pyruvate, đây là nguồn năng lượng cũng như lượng đường để sống. Vì vậy, bằng cách thay đổi điều kiện môi trường và gây áp lực lên chúng, các nhà khoa học đã ép vi khuẩn phải học cách thích nghi và phát triển để sử dụng những vật thừa trong môi trường. Sau 1 tháng, mọi thứ vẫn chưa có gì chuyển biến. Vi khuẩn vẫn chưa thể thích nghi được. Nhưng trong vòng một tháng rưỡi, một số vi khuẩn có những dấu hiệu cho thấy chúng hoạt động nhiều hơn là việc chỉ sinh tồn. Tới tháng thứ 3, các nhà khoa học đã có thể làm cho vi khuẩn không hấp thu đường và nuôi chúng bằng CO2 cùng với pyruvate. Các phân tử carbon dioxide được đánh dấu đồng vị phóng xạ cho thấy rằng vi khuẩn đã thực sự sử dụng CO2 để tạo thành 1 phần đáng kể trong khối lượng cơ thể chúng cùng với tất cả lượng đường cần để tạo tế bào.
Khi các nhà khoa học giải mã trình tự bộ gene của vi khuẩn tiến hóa, họ tìm thấy nhiều thay đổi rải rác trong nhiễm sắc thể của vi khuẩn. “Chúng hoàn toàn khác với những gì chúng tôi dự đoán”, Milo nói “Chúng tôi mất hai năm làm việc chăm chỉ để hiểu những điều cần thiết và làm sáng tỏ những logic liên quan đến sự tiến hóa của vi khuẩn”. Tiến hành lặp lại những thí nghiệm đã giúp các nhà nghiên cứu có được những đầu mối quan trọng để xác định những đột biến cần thiết cho việc thay đổi chế độ dinh dưỡng của E.coli từ loại sử dụng đường để trở thành loại sử dụng carbon dioxide.
Theo Milo “Khả năng tái lập hay thiết kế lại E.coli có khả năng cố định carbon có thể giúp cho các nhà nghiên cứu có được một công cụ mới để nghiên cứu và phát triển từ quy trình cơ bản này.” Mặc dù hiện nay, vi khuẩn thải CO2 vào không khí, nhóm nghiên cứu hình dung rằng trong tương lai, những hiểu biết của họ sẽ được ứng dụng để tạo những vi sinh vật hấp thụ CO2 và chuyển đổi chúng thành năng lượng dự trữ hoặc để tạo được những loại cây trồng với con đường cố định carbon, dẫn đến sản lượng cao hơn và thích nghi tốt hơn để phục vụ cho con người.
Liệu rằng việc “tái thiết lập” một sinh vật bậc cao hơn trong chuỗi thức ăn sử dụng đường và thải ra carbon dioxide để chúng hấp thụ carbon dioxide từ môi trường và tạo ra đường cần thiết cho việc sinh trưởng của nó có khả năng xảy ra hay không? Đó là điều mà các nhà khoa học của viện Khoa Học Weizmann nghiên cứu. Tiến sĩ Niv Antonovsky, người đứng đầu nhóm nghiên cứu này tại phòng thí nghiệm của giáo sư Ron Milo ở Viện Khoa học Thực Vật và Môi Trường cho rằng khả năng cải thiện chu trình cố định carbon là vấn đề then chốt để chúng ta có thể đương đầu với những thách thức trong tương lai, chẳng hạn như sự cần thiết phải cung cấp thức ăn cho số lượng dân số ngày càng tăng trong khi nguồn tài nguyên đất, nhiên liệu hóa thạch giảm
Những nhà khoa học của Viện ứng phó với thử thách này bằng cách chèn con đường trao đổi chất của quá trình cố định carbon và sản sinh đường (còn được gọi là chu trình Calvin) vào vi khuẩn E.coli, một loại vi khuẩn “sử dụng” đường và thải ra carbon dioxide.
Milo và nhóm của ông cho rằng họ có thể gắn chèn những gene chứa thông tin vào trong genome của vi khuẩn. Tuy nhiên, enzyme chính được sử dụng trong thực vật để cố định carbon, RuBisCO, sử dụng như là cơ chất cho phản ứng cố định CO2 phản ứng một chất chuyển hóa độc hại cho tế bào vi khuẩn. Vì vậy, họ cần thiết kế chính xác mức độ biểu hiện của những gene khác nhau trong con đường nhiều bước này.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các vi khuẩn có khả năng tổng hợp những enzyme cố định carbon, tuy nhiên về tổng thể thì “bộ máy” không “vận chuyển được hàng”. Mặc dù hệ thống cố định carbon được biểu hiện, vi khuẩn vẫn không thể sử dụng CO2 cho việc tổng hợp đường, thay vào đó lại dựa vào nguồn cung cấp đường bên ngoài. Antonovsky nói: “Chúng tôi đang làm việc với một loài sinh vật đã tiến hóa hàng triệu năm để “sử dụng” đường mà không phải CO2. Cho nên chúng tôi dựa vào sự tiến hóa để tạo ra một hệ thống mà chúng tôi đã dự định”
Antonovsky, Milo và nhóm nghiên cứu, bao gồm Shmuel Gleizer, Arren Bar-Even, Yehudit Zohar, Elad Herz và những người khác, thiết kế những bồn chứa gọi là “chemostats”, họ nuôi vi khuẩn trong đó và thúc đẩy chúng hấp thu CO2. Vào lúc đầu, cùng với những bong bóng khí CO2, vi khuẩn trong bồn được cung cấp một lượng lớn pyruvate, đây là nguồn năng lượng cũng như lượng đường để sống. Vì vậy, bằng cách thay đổi điều kiện môi trường và gây áp lực lên chúng, các nhà khoa học đã ép vi khuẩn phải học cách thích nghi và phát triển để sử dụng những vật thừa trong môi trường. Sau 1 tháng, mọi thứ vẫn chưa có gì chuyển biến. Vi khuẩn vẫn chưa thể thích nghi được. Nhưng trong vòng một tháng rưỡi, một số vi khuẩn có những dấu hiệu cho thấy chúng hoạt động nhiều hơn là việc chỉ sinh tồn. Tới tháng thứ 3, các nhà khoa học đã có thể làm cho vi khuẩn không hấp thu đường và nuôi chúng bằng CO2 cùng với pyruvate. Các phân tử carbon dioxide được đánh dấu đồng vị phóng xạ cho thấy rằng vi khuẩn đã thực sự sử dụng CO2 để tạo thành 1 phần đáng kể trong khối lượng cơ thể chúng cùng với tất cả lượng đường cần để tạo tế bào.
Khi các nhà khoa học giải mã trình tự bộ gene của vi khuẩn tiến hóa, họ tìm thấy nhiều thay đổi rải rác trong nhiễm sắc thể của vi khuẩn. “Chúng hoàn toàn khác với những gì chúng tôi dự đoán”, Milo nói “Chúng tôi mất hai năm làm việc chăm chỉ để hiểu những điều cần thiết và làm sáng tỏ những logic liên quan đến sự tiến hóa của vi khuẩn”. Tiến hành lặp lại những thí nghiệm đã giúp các nhà nghiên cứu có được những đầu mối quan trọng để xác định những đột biến cần thiết cho việc thay đổi chế độ dinh dưỡng của E.coli từ loại sử dụng đường để trở thành loại sử dụng carbon dioxide.
Theo Milo “Khả năng tái lập hay thiết kế lại E.coli có khả năng cố định carbon có thể giúp cho các nhà nghiên cứu có được một công cụ mới để nghiên cứu và phát triển từ quy trình cơ bản này.” Mặc dù hiện nay, vi khuẩn thải CO2 vào không khí, nhóm nghiên cứu hình dung rằng trong tương lai, những hiểu biết của họ sẽ được ứng dụng để tạo những vi sinh vật hấp thụ CO2 và chuyển đổi chúng thành năng lượng dự trữ hoặc để tạo được những loại cây trồng với con đường cố định carbon, dẫn đến sản lượng cao hơn và thích nghi tốt hơn để phục vụ cho con người.
Người dịch: Nguyễn Cao Minh