Nghiên cứu thành công cây tự phát sáng trong đêm

Nhờ các biến đổi gene nấm, các nhà khoa học tạo ra cây có khả năng phát sáng trong bóng tối.

Cây tự phát sáng trong đêm.

Đây không phải là những cây phát sáng ( phát quang) đầu tiên, tuy nhiên những cây này phát sáng liên tục trong suốt cả vòng đời của chúng, từ lúc nảy mầm cho đến khi lớn lên rồi già cỗi.

Phát quang sinh học (bioluminescence) của một số loài động vật đã mang ánh sáng xuống biển sâu, biến bãi biển trong đêm tối thành nơi trình diễn ánh sáng ngoạn mục. Tuy nhiên cây cối chưa bao giờ tự mình có được “nghệ thuật phát quang” ấy.

Những thử nghiệm đầu tiên cấy ghép gene đom đóm cho cây cối là sự minh họa sớm của công nghệ chuyển gene, tuy nhiên các nghiên cứu mới nhất đã cải thiện đáng kể những thành tựu này.

Cây phát sáng để trang trí nhà cửa?

Từ kết quả những nghiên cứu, các nhà khoa học hình dung ra một thế giới với những khu rừng phát quang sinh học trong bóng tối (như trong phim Avatar của Mỹ).

Những công trình nghiên cứu có thể được sử dụng cho các mục đích ứng dụng thực tế và mỹ học, đặc biệt là tạo ra các loài hoa và cây chiếu sáng dùng cho trang trí.

Mặc dù thay thế đèn đường bằng các loại cây phát sáng là ý tưởng khá “điên rồ”, thuộc loại khoa học viễn tưởng, nhưng cây phát quang sinh học có thể được dùng để trang trí nhà cửa.

Tuy nhiên, trước hết các nhà khoa học có thể thông qua ánh sáng này tìm hiểu, quan sát hoạt động của cây cối. Thông qua ánh sáng này, họ cũng có thể kiểm tra ngay lập tức tình trạng sức khỏe của cây.

Lúc ban đầu, các thử nghiệm cấy ghép gene phát quang sinh học của vi khuẩn hóa ra là độc hại đối với cây. Những dạng phát quang sinh học phổ biến khác, chẳng hạn như phát quang ở đom đóm, đòi hỏi phải có các chất phản ứng đặc biệt để duy trì sự phát quang. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu tìm ra cách khác. Họ thấy rằng, phát quang sinh học xuất hiện ở một số loại nấm, về mặt trao đổi chất, giống như các quá trình tự nhiên ở cây xanh.

Nhờ cấy ghép DNA lấy từ nấm, các nhà khoa học có thể tạo ra cây thuốc lá phát sáng với độ sáng lớn hơn nhiều lần so với độ sáng từ các thí nghiệm trước đó. Hơn nữa, cây cối chứa DNA của nấm phát sáng liên tục trong suốt vòng đời, từ lúc nảy mầm đến khi trưởng thành.

Các kết quả nghiên cứu về công nghệ sinh học của Công ty khởi nghiệp Planta ở Moscow, Viện Hóa sinh hữu cơ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Viện Khoa học Công nghệ Austria đã được đăng tải trên tập san Nature Biotechnology (Công nghệ sinh học tự nhiên) của Anh.

“Ba mươi năm trước, sử dụng chất liệu gene của đom đóm, tôi tham gia tạo ra cây phát quang đầu tiên. Hiện giờ, những loại cây mới có khả năng phát ra ánh sáng ổn định hơn và sáng hơn” – nữ Tiến sĩ Keith Wood ở Công ty khởi nghiệp Light Bio – đối tác của Planta, cho biết như vậy.

Gene của nấm

Việc thiết kế các đặc điểm sinh học mới, hóa ra, phức tạp hơn nhiều so với việc chuyển một số phần gene thông thường từ một sinh vật sang sinh vật thứ hai.

Các phần gene bổ sung trước hết phải tương thích với vật chủ về mặt chuyển đổi chất. Các thử nghiệm tạo ra cây phát quang với các gene vi khuẩn không thành công chủ yếu là vì các phần gene đó không hoạt động phù hợp trong các cơ thể mới.

Khoảng một năm trước, các nhà khoa học phát hiện và mô tả đặc điểm chu trình của caffeic acid (axit caffeic) – vốn là dấu vết chuyển đổi chất gây ra hiện tượng phát quang ở nấm.

Đây là lần đầu tiên ánh sáng sinh học của cơ thể đa bào tiên tiến được định nghĩa đầy đủ. Những cây nấm phát quang sinh học tổng hợp các luciferin (các sắc tố có khả năng phát ra ánh sáng trong cơ thể phát quang sinh học) chính từ caffeic acid.

Tuy nhiên, tính phát quang sinh học của nấm cũng hoạt động tốt trong cây cối. Điều đó cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các cây phát quang mới, có thể phát ra ánh sáng mạnh hơn hàng chục lần so với ánh sáng từ cây cối trong các thí nghiệm trước đây.

Ánh sáng xanh ở cây cối biến đổi gene được tạo ra mà không gây ảnh hưởng đến sức khỏe của chúng. Toàn bộ cây (lá, thân, rễ và hoa) đều phát sáng.

Mặc dù nấm không liên quan mật thiết với cây cối, nhưng ánh sáng mà nấm phát ra tập trung vào phân tử hữu cơ cần thiết cho việc tạo ra vách tế bào (nằm ngoài màng tế bào), tương tự như ở cây. Đó chính là phân tử caffeic acid.

Ánh sáng phát ra trong chu trình trao đổi chất bao gồm 4 enzyme. Hai enzyme biến đổi caffeic acid thành tiền tố phát quang; sau đó tiền tố này bị oxy hóa bởi enzyme thứ ba để tạo ra photon. Enzyme cuối cùng biến phân tử bị oxy hóa trở lại thành caffeic acid, để rồi sau đó khởi động chu trình mới.

Caffeic acid là vật liệu xây dựng tạo nên lignin (chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình khác với cellulose, bảo đảm độ vững chắc cho thành tế bào thực vật). Lignin là một trong các thành phần cơ bản của gỗ và là nguồn tái tạo phổ biến nhất trên Trái đất.

Với vai trò là thành phần cơ bản của quá trình trao đổi chất ở thực vật, caffeic acid cũng gắn liền với nhiều hợp chất cần thiết khác, liên quan đến màu sắc hoặc mùi hương.

Các quá trình bên trong của thực vật

Ánh sáng do cây cối phát ra thể hiện chỉ số trao đổi chất bên trong. Nó có thể tiết lộ trạng thái sinh lý và phản ứng của cây đối với môi trường. Trong khi nghiên cứu, các nhà khoa học thấy rằng, các cây non, đặc biệt là hoa, phát sáng mạnh nhất.

Trong quá trình cây biến đổi gen lớn lên, các nhà khoa học phát hiện sóng ánh sáng (ánh sáng nhấp nháy) thể hiện hoạt động của cây cối. Họ có thể theo dõi các quá trình động, xảy ra bên trong thực vật, trong đó có quá trình phát triển và phát sinh bệnh, các phản ứng đối với môi trường và kết quả của xử lý bằng hóa chất.

Các nhà khoa học cũng phát hiện thấy sự gia tăng phát quang sinh học để đáp trả các yếu tố bên ngoài. Chẳng hạn, cường độ ánh sáng nhấp nháy của cây phát quang tăng lên khi ở gần đó có… vỏ chuối – thứ phát ra ethylene. Các nhà khoa học cũng tính được rằng cây biến đổi gene tạo ra khoảng 1 tỷ photon/phút.

Trong các nghiên cứu, các nhà khoa học sử dụng cây thuốc lá do chúng phát triển nhanh và có tính di truyền học đơn giản. Tuy nhiên, phát quang sinh học của nấm có thể tương thích không chỉ với cây thuốc lá, mà còn với nhiều loại cây khác.