Phát hiện một dạng chất diệp lục hiếm thấy trong một loại vi khuẩn mới được thiết lập trình tự gen

Các nhà nghiên cứu thuộc đại học Washington (St. Louis) và đại học bang Arizona mới đây đã lập trình tự hệ gen của một loại vi khuẩn hiếm có khả năng thu năng lượng ánh sáng nhờ một loại chất diệp lục thậm chí còn ít thấy hơn bản thân loại vi khuẩn này – đó là chlorophyll d. Chlorophyll d hấp thụ một loại tia màu đỏ có bước sóng dài, gần giống tia hồng ngoại mà mắt thường không thể nhìn thấy.

Chính vì thế, loài cyanobacterium Acaryochloris marina không hề có đối thủ trong số những thực vật hay những loài vi khuẩn cạnh tranh ánh sáng khác. Kết quả là, hệ gen của nó trở nên quá đồ sộ và phức tạp so với cơ thể một vi khuẩn cyanobacterium, bao gồm có 8,3 triệu cặp bazơ. Đây là hệ gen lớn nhất trong số 55 loài cyanobacterium trên thế giới được thiết lập trình tự gen cho đến nay. Và đây cũng chính là sinh vật có chứa chất diệp lục chlorophyll d đầu tiên được thiết lập trình tự gen.

Mực ống biển và sao biển. Loài vi khuẩn Acaryochloris marina sống bên dưới con mực ống biển (một lòailoài định cư trên những phiến đá nằm ngay dưới mặt nước). Vi khuẩn cyanobacterium hấp thụ “ánh sáng đỏ” thông qua các mô của con mực ống biển. (Ảnh: iStockphoto)

Tiến sĩ Robert Blankenship, giáo sư ngành Khoa học và nghệ thuật Lucille P. Markey (Đại học Washington) cùng với chuyên viên điều tra chính của dự án cho biết rằng hiện đã xác định và phân tích được tất cả các gen của loài Acaryochloris marina, mục đích trước mắt là phải tìm ra loại enzim gây biến đổi cấu trúc hóa học ở chất diệp lục chlorophyll d khiến nó khác biệt với hai loại cơ bản (chlorophyll a và chlorophyll b) cũng như khác biệt với 9 loại chất diệp lục khác.

Blankenship nói: “Quá trình tổng hợp chất diệp lục ở bất cứ một loại sinh vật nào đều phức tạp, bao gồm 17 bước khác nhau cả thảy. Có thể ở gần cuối quá trình, một loại enzim đã biến đổi nhóm vinyl thành nhóm formyl để tạo nên chlorophyll d. Sự biến đổi dạng thức hóa học này không hề có ở bất cứ một loại phân tử chất diệp lục nào khác”.

Cũng theo Blankenship, ông và các cộng tác viên đặt nghi vấn với một số gen và sẽ thử nghiệm chúng. Họ hy vọng có thể chèn những gen này vào cơ thể loài sinh vật chỉ có thể tạo ra mình chlorophyll a. Nếu sinh vật đó tổng hợp được chlorophyll d thì bức màn bí ẩn của quá trình tổng hợp chlorophyll d sẽ được hé mở và những điều hấp dẫn sau đó mới thực sự bắt đầu.

Blankenship và đồng nghiệp thuộc hai viện nghiên cứu đã đăng tải trực tuyến một bài báo giải trình nghiên cứu của họ ngày 4/2/2008 trên tờ The Proceedings of the National Academy of Sciences. Nghiên cứu được quỹ Khoa học quốc gia tài trợ với sự tham gia của các cộng tác viên Nhật Bản và Úc. Bên cạnh đó còn có 3 sinh viên và một cựu sinh viên thuộc đại học Washington cũng như các nhà nghiên cứu đơn lẻ khác tham gia vào dự án.

Nếu những thực vật và các sinh vật hấp thu nặng lượng mặt trời được cấy gen sản xuất chlorophyll d, chúng sẽ trở thành những nhà máy sản sinh và lưu trữ năng lượng mặt trời. Giả sử một cây ngô cao 7 fit được ghép gen sản xuất chlorophyll d ở gốc cây. Trong khi các bộ phận còn lại của cây ngô tổng hợp chlorophyll a, hấp thụ ánh sáng bước sóng ngắn, thì gốc cây sẽ hấp thụ tia sáng đỏ ở tầm 710 nanomet. Năng lượng sẽ được tích trữ trong gốc cây mà không phải cạnh tranh với bất kì bộ phận nào của cây trong quá trình quang hợp vì các bộ phần còn lại chỉ có chlorophyll a mà thôi. Thêm vào đó, cây ngô có mang gen tổng hợp chlorophyll d có thể trở thành một “siêu thực vật” vì khả năng khai thác năng lượng mặt trời vượt trội của nó.

Mô hình trên tương tự với cách mà loài Acaryochloris marina hoạt động ở vùng Nam Thái Bình Dương, đặc biệt ở rặng san hô lớn tại Úc. Được phát hiện 11 năm trước đây, loài cyanobacterium sống cộng sinh với một loại sinh vật giống bọt biển thường được gọi là mực ống biển. Loài vi khuẩn Acaryochloris marina sống bên dưới con mực ống biển (một loài định cư trên những phiến đá nằm ngay dưới mặt nước). Vi khuẩn cyanobacterium hấp thụ “ánh sáng đỏ” thông qua các mô của con mực ống biển.

Theo Blankenship, “hệ gen của chúng rất tinh tế và đồ sộ. Loài Acaryochloris có thể sử dụng tia sáng đỏ bước sóng dài mà không loài nào khác có thể bắt chước. Nó chưa từng phải trải qua một áp lực chọn lọc mạnh mẽ nào nên không giống các loài vi khuẩn khác. Sống trong một môi trường như thế tạo điều kiện cho nó phát triển một hệ gen đáng kinh ngạc”.

Blankenship nói rằng, một khi phát hiện ra gen gây biến đổi hóa học ở bước cuối và cấy ghép nó vào các loài thực vật hay sinh vật khác, nó có thể làm tăng 5% lượng ánh sáng để các sinh vật sử dụng.

Blankenship cho biết: “Hiện chúng tôi đã có thông tin di truyền của một loại sinh vật độc nhất vô nhị tạo ra loại sắc tố mà không một sinh vật nào khác làm được như thế. Mặc dù chúng tôi không biết vai trò của tất cả các gen nhưng chúng tôi cũng đang bắt đầu tiến hành phân tích. Khi đã tìm ra được enzim xúc tác quá trình tổng hợp chlorophyll d và cấy ghép nó vào cơ thể các sinh vật khác, chúng tôi sẽ nghiên cứu mở rộng phạm vi của các bức xạ có ích cho quá trình quang hợp”.