Đánh giá trong phòng thí nghiệm mô hình mô phỏng lại ăng-ten quang hợp của thực vật ngoài tự nhiên

 Kiểm soát chất lượng quang hợp nhân tạo: Đánh giá trong phòng thí nghiệm mô hình mô phỏng lại ăng-ten quang hợp của thực vật ngoài tự nhiên

Mô hình 3D của LHCII được tái tạo. Thành phần của LHCII tái tạo, như được thấy trong apoprotein (trái) và cấu trúc chồng chất của sắc tố (phải), gần giống với thành phần của LHCII tự nhiên ở hầu hết các vùng. Nguồn: Đại học Osaka.

Con người có thể làm được nhiều việc, nhưng thực vật có một khả năng mà chúng ta không có, chúng tạo ra năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, một siêu năng lực được gọi là quang hợp. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy các nhà khoa học đang thu hẹp khoảng cách đó.

 

Các nhà nghiên cứu của Đại học Osaka đã tiết lộ cấu trúc 3D của phức hợp protein ăng-ten quang hợp nhân tạo, được gọi là phức hợp thu nhận ánh sáng II (LHCII) và chứng minh rằng LHCII nhân tạo phản ánh chặt chẽ bản sao tự nhiên của nó. Khám phá này đánh dấu một bước tiến đáng kể trong việc hiểu cách thực vật thu nhận và quản lý năng lượng mặt trời, mở đường cho những đổi mới trong tương lai về quang hợp nhân tạo.

Các nhà nghiên cứu, do Phó Giáo sư Ritsuko Fujii dẫn đầu và nghiên cứu sinh Soichiro Seki của Trung tâm nghiên cứu Quang hợp Nhân tạo thuôc Trường khoa học Graduate, đã công bố nghiên cứu của họ trên PNAS Nexus.

 

Quang hợp biến ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng, một quá trình cực kỳ phức tạp liên quan đến hàng trăm phân tử và protein khác nhau. Trong số đó có LHCII, phức hợp sắc tố - protein phổ biến nhất được tìm thấy trong lục lạp của thực vật và tảo xanh; nó có chức năng thu giữ ánh sáng mặt trời và dẫn năng lượng hiệu quả để thúc đẩy quá trình quang hợp. Bản thân LHCII bao gồm nhiều protein và phân tử sắc tố; việc hiểu cách ăng-ten quang hợp này hoạt động kỳ diệu như thế nào và sau đó bắt chước nó không hề đơn giản.

Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để tái tạo LHCII. Câu hỏi đặt ra là: liệu những bản sao này có gần với bản sao do chính thiên nhiên tạo ra không? Tiến sỹ Seki cho biết: "Các phương pháp truyền thống không thể xác định được cấu trúc chính xác của LHCII được tái tạo trong ống nghiệm".

 

Tái tạo trong ống nghiệm là một kỹ thuật trong phòng thí nghiệm cho phép các nhà khoa học tái tạo LHCII bên ngoài thực vật bằng cách tổng hợp phần protein của LHCII trong E. coli và kết hợp nó với các sắc tố và lipid tự nhiên.

Do đó, nhóm nghiên cứu đã lật sang một trang mới, sử dụng kính hiển vi điện tử lạnh để phân tích cấu trúc 3D của LHCII mà họ tái tạo. Kỹ thuật này, đã giành Giải Nobel Hóa học năm 2017, chụp ảnh các mẫu đông lạnh ở nhiệt độ cực thấp, giúp các nhà nghiên cứu có thể có được cái nhìn cực kỳ chi tiết về cách các sắc tố và protein được sắp xếp bên trong phức hợp.

 

Tiến sỹ Seki cho biết: "Kết quả của chúng tôi cho thấy LHCII được tạo ra trong phòng thí nghiệm gần như giống hệt với phiên bản tự nhiên, chỉ có một vài điểm khác biệt nhỏ".

 

Những phát hiện này xác nhận tính hiệu quả của kỹ thuật tái tạo trong ống nghiệm và mở ra những cơ hội mới để khám phá hoạt động bên trong của LHCII và vai trò của nó trong quá trình quang hợp, đặt nền tảng cho những tiến bộ trong tương lai về quang hợp nhân tạo và công nghệ sản xuất thực vật.

 

Giáo sư Fujii cho biết: "Kết quả của chúng tôi không chỉ cung cấp nền tảng cấu trúc cho LHCII tái tạo mà còn đánh giá các chức năng dựa trên cấu trúc của LHCII tái tạo, chúng tôi hy vọng điều này sẽ tạo điều kiện cho các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phân tử mà thực vật sử dụng ánh sáng mặt trời cho các phản ứng hóa học".

 

Lê Thị Kim Loan theo Đại học Osaka