Những bí mật của quá trình quang hợp được đưa ra ánh sáng

 Những bí mật của quá trình quang hợp được đưa ra ánh sáng

Bí mật của quá trình quang hợp đã được khám phá ở mức độ nguyên tử, điều này làm sáng tỏ thêm về siêu năng lực thực vật đã phủ xanh trái đất hơn một tỷ năm trước.

 

Các nhà nghiên cứu của Trung tâm John Innes đã sử dụng phương pháp kính hiển vi hiện đại gọi là cryo-EM để khám phá cách tạo ra các protein quang hợp.

 

Nghiên cứu được công bố trên Cell, trình bày một mô hình và các nguồn lực nhằm thúc đẩy những khám phá căn bản hơn nữa trong lĩnh vực này và hỗ trợ các mục tiêu dài hạn hơn là phát triển các loại cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn.

 

Tiến sỹ Michael Webster, trưởng nhóm và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Phiên mã các gen lục lạp là một bước cơ bản trong việc tạo ra các protein quang hợp cung cấp cho thực vật năng lượng cần thiết để phát triển. Chúng tôi hy vọng bằng cách hiểu rõ hơn về quá trình này, quang hợp ở cấp độ phân tử chi tiết, chúng tôi sẽ trang bị cho các nhà nghiên cứu đang tìm cách phát triển thực vật có hoạt động quang hợp mạnh mẽ hơn”.

 

“Kết quả quan trọng nhất của công việc này là tạo ra một nguồn tài nguyên hữu ích. Các nhà nghiên cứu có thể đăng tải mô hình nguyên tử của lục lạp polymerase của chúng tôi và sử dụng nó để đưa ra các giả thuyết của riêng họ về cách thức hoạt động của nó cũng như các chiến lược thử nghiệm để kiểm tra chúng”.

 

Quá trình quang hợp diễn ra bên trong lục lạp, những ngăn nhỏ trong tế bào thực vật chứa bộ gen của chính chúng, phản ánh quá khứ của chúng là vi khuẩn quang hợp sống tự do trước khi chúng bị thực vật nhấn chìm và đồng chọn.

 

Nhóm Webster tại Trung tâm John Innes nghiên cứu cách thức thực vật tạo ra protein quang hợp, các cỗ máy phân tử thực hiện phản ứng hóa học nền này, chuyển đổi carbon dioxide trong khí quyển và nước thành đường đơn giản và tạo ra oxy như một sản phẩm phụ. Giai đoạn đầu tiên trong quá trình sản xuất protein là phiên mã, trong đó gen được đọc để tạo ra ‘RNA thông tin’. Quá trình phiên mã này được thực hiện bởi một enzyme gọi là RNA polymerase.

 

Cách đây 50 năm, người ta đã phát hiện ra rằng lục lạp có chứa RNA polymerase độc nhất của riêng chúng. Kể từ đó, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên về mức độ phức tạp của enzyme này. Nó có nhiều tiểu đơn vị hơn tổ tiên của nó là RNA polymerase của vi khuẩn và thậm chí còn lớn hơn RNA polymerase của con người.

 

Nhóm Webster muốn hiểu tại sao lục lạp lại có RNA polymerase phức tạp như vậy. Để làm được điều này, họ cần hình dung cấu trúc của RNA polymerase lục lạp.

 

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM) để chụp ảnh các mẫu RNA polymerase lục lạp được tinh chế từ cây mù tạt trắng. Bằng cách xử lý những hình ảnh này, họ có thể xây dựng một mô hình chứa vị trí của hơn 50.000 nguyên tử trong phức hợp phân tử.

 

Phức hợp RNA polymerase bao gồm 21 tiểu đơn vị được mã hóa trong hai bộ gen, nhân và lục lạp. Phân tích chặt chẽ cấu trúc này khi nó thực hiện phiên mã cho phép các nhà nghiên cứu bắt đầu giải thích chức năng của các thành phần này.

 

Mô hình này cho phép họ xác định một protein tương tác với DNA khi nó được phiên mã và hướng dẫn nó đến vị trí hoạt động của enzyme. Một thành phần khác có thể tương tác với mRNA đang được sản xuất để bảo vệ nó khỏi các protein có thể làm suy giảm nó trước khi nó được chuyển hóa thành protein. Tiến sỹ Webster cho biết: “Chúng tôi biết rằng mỗi thành phần của RNA polymerase lục lạp đều có vai trò quan trọng vì thực vật thiếu bất kỳ thành phần nào trong số chúng không thể tạo ra protein quang hợp và do đó không thể chuyển sang màu xanh. Chúng tôi đang nghiên cứu các mô hình nguyên tử một cách cẩn thận để xác định vai trò của từng thành phần trong số 21 thành phần của tổ hợp”.

 

Đồng tác giả nghiên cứu, tiến sỹ Ángel Vergara-Cruces cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã có mô hình cấu trúc, bước tiếp theo là xác nhận vai trò của protein phiên mã lục lạp. Bằng cách tiết lộ các cơ chế phiên mã lục lạp, nghiên cứu của chúng tôi cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò của nó đối với sự phát triển và thích nghi của thực vật cũng như phản ứng với các điều kiện môi trường”. Đồng tác giả, tiến sỹ Ishika Pramanick cho biết: “Có rất nhiều khoảnh khắc đáng ngạc nhiên trong hành trình nghiên cứu đáng chú ý này, bắt đầu từ quá trình tinh chế protein đầy thử thách cho đến việc chụp những bức ảnh cryo-EM tuyệt đẹp về loại protein phức tạp khổng lồ này để cuối cùng được thấy tác phẩm của chúng tôi ở dạng in”.

 

Tiến sỹ Webster kết luận: “Nhiệt độ, hạn hán và độ mặn hạn chế khả năng thực hiện quang hợp của thực vật. Thực vật có thể sản xuất protein quang hợp một cách đáng tin cậy khi đối mặt với áp lực môi trường có thể kiểm soát quá trình phiên mã lục lạp một cách khác nhau. Chúng tôi mong muốn được thấy công trình nghiên cứu của mình được sử dụng trong nỗ lực quan trọng nhằm phát triển các loại cây trồng khỏe mạnh hơn”.

 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Trung tâm John Innes.