Enzym đóng vai trò thiết yếu trong tế bào của mọi sinh vật, từ vi khuẩn, thực vật đến con người. Có sự tương đồng giữa các bộ phận trong ô tô và enzym của tế bào thực vật.
Một số enzym thực hiện công việc một vài lần và thất bại. Trong khi đó, những enzym khác có thể lặp lại một nhiệm vụ hàng trăm nghìn lần.
Các sinh vật dành rất nhiều năng lượng để thay thế enzym đã hao mòn. Theo Andrew Hanson - học giả và giáo sư tại Khoa Khoa học trồng trọt của Viện Khoa học Nông nghiệp và Thực phẩm (Mỹ), ở các loại cây trồng để làm thực phẩm, nhiên liệu, chất xơ hoặc các mục đích khác, enzym tồn tại lâu hơn có thể làm tăng năng suất.
Có sự tương đồng giữa các bộ phận trong ô tô và enzym của tế bào thực vật.
“Việc thay thế các enzym là một chi phí năng lượng lớn đối với sinh vật, nhưng chưa ai thực sự hỏi, các enzym tồn tại được bao lâu và điều gì quyết định điều đó?”, ông Hanson cho biết.
Tiêu chuẩn này được gọi là Chu trình xúc tác cho đến khi thay thế (CCR). Đây là bước đầu tiên để cải thiện tuổi thọ của enzym. Nhờ đó, giúp sản xuất nhiều thực phẩm, nhiên liệu và chất xơ hơn.
Để giải thích cách CCR hoạt động, Hanson nêu sự tương tự giữa các bộ phận trong ô tô và enzym của tế bào. Giống như các bộ phận trong xe hơi, enzym thực hiện lặp lại một nhiệm vụ cụ thể. Đây là nguyên nhân gây ra hao mòn.
Trong ô tô, nhà sản xuất biết một bộ phận có thể hoạt động bao nhiêu lần trước khi cần thay thế. Trong khi đó, CCR cung cấp thông tin này về enzym, giúp các nhà kỹ thuật sinh học biết một enzym có thể thực hiện công việc bao nhiêu lần.
Phòng thí nghiệm của Hanson đã bắt đầu làm việc để cải thiện một trong những enzym thực vật tên THI4. Enzym này xúc tác một phản ứng hóa học tạo ra thiamine - một loại vitamin B cần thiết cho nhiều quá trình sinh học.
Tuy nhiên, THI4 có thể được gọi là enzym “vứt bỏ”. Bởi, đây là một enzym xúc tác phản ứng một lần và sau đó phân hủy - tự hủy.
“Một giải pháp khả thi là tìm ra một loại enzym khác cũng có thể tạo ra thiamine nhưng tồn tại lâu hơn THI4”, ông Hanson nhận định.
Phòng thí nghiệm của Giáo sư Hanson đang tìm cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là tiến hóa có định hướng. Phương pháp mới có xu hướng khai thác các quá trình đột biến và chọn lọc tự nhiên ở vi khuẩn hoặc nấm men.
Nhờ đó, nhằm cải thiện các gene chứa chỉ thị cho enzym hoặc các protein khác với tốc độ nhanh hơn nhiều so với tốc độ có thể xảy ra ở thực vật. Sau đó, các gene cải tiến có thể được chuyển sang cây trồng bằng cách sử dụng những công nghệ như CRISPR để chỉnh sửa bộ gene của cây. Kết quả là các nhà nghiên cứu có thể cải thiện enzym cây tạo ra, dẫn đến năng suất cao hơn.