Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Việc phát hiện ra cách thức hoạt động của một loại enzyme quan trọng “ẩn trong bản thiết kế của tự nhiên” đã làm sáng tỏ cách thức các tế bào kiểm soát các quá trình quan trọng trong quá trình cố định carbon, một quá trình cơ bản cho sự sống trên Trái đất.

Phát hiện này được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học Quốc gia Úc (ANU) và Đại học Newcastle (UoN), có thể giúp tạo ra các loại cây trồng thích ứng với khí hậu có khả năng hút carbon dioxide từ khí quyển hiệu quả hơn, giúp sản xuất nhiều thực phẩm hơn trong quá trình này.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances , chứng minh chức năng chưa từng được biết đến trước đây của một loại enzyme gọi là carboxysomal carbonic anhydrase (CsoSCA), được tìm thấy trong vi khuẩn lam - còn gọi là tảo xanh lam - để tối đa hóa khả năng của vi sinh vật trong việc chiết xuất carbon dioxide từ khí quyển.

Vi khuẩn lam thường được biết đến với sự nở hoa độc hại ở hồ và sông. Nhưng những con bọ nhỏ màu xanh lam này rất phổ biến và chúng cũng sống ở các đại dương trên thế giới.

Mặc dù chúng có thể gây nguy hiểm cho môi trường nhưng các nhà nghiên cứu mô tả chúng là “siêu anh hùng carbon nhỏ bé”. Thông qua quá trình quang hợp, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ khoảng 12% lượng khí carbon dioxide của thế giới mỗi năm.

Tác giả đầu tiên và nhà nghiên cứu tiến sĩ Sacha Pulsford, từ ANU, mô tả mức độ hiệu quả đáng chú ý của các vi sinh vật này trong việc thu giữ carbon.

Bà Pulsford cho biết: “Không giống như thực vật, vi khuẩn lam có một hệ thống gọi là cơ chế tập trung carbon dioxide (CCM), cho phép chúng cố định carbon từ khí quyển và biến nó thành đường với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với thực vật và các loài cây trồng tiêu chuẩn”.

Trung tâm của CCM là các ngăn protein lớn gọi là carboxysome. Những cấu trúc này chịu trách nhiệm cô lập carbon dioxide, chứa CsoSCA và một loại enzyme khác gọi là Rubisco.

Các enzyme CsoSCA và Rubisco hoạt động đồng bộ, thể hiện tính chất hiệu quả cao của CCM. CsoSCA hoạt động để tạo ra nồng độ carbon dioxide cục bộ cao bên trong carboxysome mà Rubisco sau đó có thể tiêu hóa và biến thành đường cho tế bào sử dụng.

Tác giả chính, Tiến sĩ Ben Long, từ UoN, cho biết: "Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn về cách thức kiểm soát enzyme CsoSCA. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc làm sáng tỏ bí ẩn này, đặc biệt là ở một nhóm vi khuẩn lam chính được tìm thấy trên toàn cầu. Những gì chúng tôi tìm thấy là hoàn toàn chính xác." không ngờ tới.

“Enzym CsoSCA nhảy theo giai điệu của một phân tử khác gọi là RuBP, kích hoạt nó giống như một công tắc. "Hãy nghĩ về quá trình quang hợp giống như làm một chiếc bánh sandwich. Carbon dioxide từ không khí làm đầy, nhưng tế bào quang hợp cần cung cấp bánh mì. Đó là RuBP. “Giống như bạn cần bánh mì để làm bánh sandwich, tốc độ biến carbon dioxide thành đường phụ thuộc vào tốc độ cung cấp RuBP. "Enzym CsoSCA cung cấp carbon dioxide cho Rubisco nhanh đến mức nào phụ thuộc vào lượng RuBP hiện diện. Khi có đủ, enzyme sẽ được bật. Nhưng nếu tế bào hết RuBP, enzyme sẽ bị tắt, khiến hệ thống bị điều chỉnh cao độ. “Đáng ngạc nhiên là enzyme CsoSCA đã được đưa vào bản thiết kế của tự nhiên từ lâu và đang chờ được khám phá.”

Các nhà khoa học cho biết cây trồng biến đổi gen có khả năng thu giữ và sử dụng carbon dioxide hiệu quả hơn sẽ mang lại sự thúc đẩy to lớn cho ngành nông nghiệp bằng cách cải thiện đáng kể năng suất cây trồng đồng thời giảm nhu cầu về phân bón nitơ và hệ thống tưới tiêu.
 
Nó cũng sẽ đảm bảo hệ thống thực phẩm của thế giới có khả năng phục hồi tốt hơn trước biến đổi khí hậu.
Bà Pulsford cho biết: "Hiểu cách thức hoạt động của CCM không chỉ làm phong phú thêm kiến ​​thức của chúng ta về các quá trình tự nhiên cơ bản đối với hóa sinh học của Trái đất mà còn có thể hướng dẫn chúng ta tạo ra các giải pháp bền vững cho một số thách thức môi trường lớn nhất mà thế giới đang phải đối mặt."

Nguồn: https://www.sciencedaily.com