Biến đổi gen tạo ra cây cỏ phát sáng không bao giờ tắt

Cây thắp sáng trong đêm không chỉ tạo nên một khu vườn tuyệt đẹp như trong các bộ phim điện ảnh, mà còn giúp giới khoa học dễ dàng tìm hiểu về cách trao đổi chất của cây, cách chúng phản ứng với thế giới xung quanh và xa hơn là giúp con người giảm phụ thuộc vào công nghệ phát sáng bằng điện.

Hợp chất đặc biệt có sẵn trong cây

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà khoa học Tatiana Mitiouchkina và Alexander S. Mishin, đã bắt đầu tìm kiếm cách thắp sáng cây xanh từ cuối năm 2018. Khác với nhiều phương pháp trước đây vốn sử dụng vi khuẩn phát quang hoặc DNA của đom đóm, nghiên cứu này dùng DNA của nấm phát quang sinh học.

Nhờ bổ sung axit caffeic vào trong luciferin có sẵn ở thực vật, chúng tự phát sáng và giữ mãi như vậy đến khi chết đi.

Các nhà khoa học nhận ra trong nấm luciferin có hợp chất tạo ra ánh sáng được gọi là axit caffeic. Trong axit này có 4 enzyme, 2 hỗ trợ phát quang, 1 giúp oxy hóa các chất thành photon và 1 còn lại giúp chuyển đổi phân tử trở lại axit giúp quá trình này được diễn ra tuần hoàn và mãi mãi.

“Trong sinh học, có nhiều loại nấm phát sáng nhưng cách chúng tạo sáng và lặp lại quy trình khá phức tạp, cũng như ánh sáng tạo ra không đủ. Trong khi đó, nấm luciferin có trong Nicotiana tabacum và Nicotiana benthamiana, hay còn gọi là cây thuốc lá, có thể phát sáng liên tục nhờ vào quy trình lặp lại không ngừng nghỉ của nó,” nhà nghiên cứu cho biết.

Cách tạo nên cây phát sáng, theo các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu.

Luciferin dễ dàng tìm thấy ở hầu hết các loài thực vật, công dụng bình thường của nó là tổng hợp lignin, polymer gỗ, tạo độ cứng và độ bền cho cây cối. Từ phát hiện này, nhóm nghiên cứu sẽ biến đổi gen cây cỏ để bổ sung thêm axit caffeic vào luciferin, từ đó giúp chúng có thể phát sáng tự nhiên.

Nhóm của Mitiouchkina ghép cây thuốc lá vào 4 gen của nấm có liên quan đến phát sáng sinh học, rồi canh tác cẩn thận. Họ ngỡ ngàng với kết quả từ khi gieo trồng, trở thành cây non và lớn lên thành cây trưởng thành: cây phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà không cần can thiệp bất cứ thứ gì trong suốt quá trình.

Cây rực rỡ trong đêm như những cảnh trong phim.

Hiệu quả nhưng không gây hại

Trong thời gian gieo trồng cây phát sáng, nhóm khoa học ghi lại các thông số theo ngày, họ cho biết: “Hàm lượng chất diệp lục và caroten, thời gian nảy mầm và ra hoa của cây không khác biệt nhiều so với cây thuốc lá mọc trong môi trường nhà kính, ngoại trừ việc cây biến đổi gen thấp hơn 12% so với cây lớn lên tự nhiên.”

Chỉnh sửa gen giúp cây phát sáng nhưng vẫn không gây hại đến quá trình sinh trưởng bình thường của cây.

Kết quả này cho thấy axit caffeic có trong nấm phát quang sau khi được thêm vào cây, không gây ảnh hưởng nhiều hay gây độc hại cho cây, cũng như không tạo gánh nặng ảnh hưởng tiêu cực đến sự sinh trưởng của cây, dù là trồng trong môi trường tự nhiên hay trong nhà kính.

Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy, những phần non trẻ hơn của cây thì phát sáng rực rỡ hơn mà hoa là phần tỏa sáng nhất. Lượng sáng phát ra được đo khoảng 1 tỷ photon mỗi phút, ánh sáng này yếu và không giúp đọc sách được, nhưng mắt người có thể nhìn thấy được nó trong đêm.

Tuy sáng hơn cây phát sáng thông thường đến 10 lần nhưng mức sáng này chưa phải là lớn nhất. Các nhà khoa học ở MIT dùng kỹ thuật nanobionic, tạo ra cây phát sáng hơn 1.000 tỷ photon mỗi giây, nhưng nó chỉ duy trì được 3,5 giờ chứ không tỏa sáng mãi mãi.

Một chương mới về theo dõi thực vật

Trước mắt, nghiên cứu này chỉ giúp các nhà khoa học quan sát rõ hơn về quá trình trao đổi chất của cây, và các chúng tương tác với thế giới bên ngoài. Chẳng hạn như khi đặt một vỏ chuối ở gần đó, cây sẽ phát sáng rực rỡ hơn vì đó là khi chúng phát ra ethylene.

Sự phát sáng thay đổi theo phản ứng tự nhiên của cây. Trong ảnh, nhóm nghiên cứu đặt nhiều mẫu vật ở xung quanh để theo dõi sự thích ứng.

Khi quan sát ở mức độ sóng ánh sáng, các quá trình trao đổi chất vốn khó nhìn thấy cũng được hé lộ, cho phép các nhà nghiên cứu có một công cụ đẹp mắt để tìm hiểu và có thể biết nhiều hơn về sức khỏe của thực vật.

“Bằng cách cho cây cỏ phát sáng tự nhiên, quá trình phát quang đi cùng với các phản ứng tự nhiên của cây, ta có thể theo dõi được sự sinh trưởng hay bệnh trên cây, cũng như phản ứng của chúng với các điều kiện bên ngoài và từ đó đưa ra hướng xử lý tốt nhất.

Ngoài ra, việc bổ sung hợp chất vào luciferin cũng mở ra một hướng đi mới cho việc theo dõi cây trồng dưới mặt đất, vốn là một vùng không gian tăm tối và khó quan sát,” đại diện nhóm nghiên cứu cho biết trên bài báo đăng ở Nature Biotechnology.

Nguồn sáng này không đủ mạnh để đọc sách trong đêm, nhưng đủ để giới khoa học tìm hiểu về phản ứng của cây trồng với tự nhiên.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục mở rộng hơn công trình của mình để biến đổi gen cho nhiều loài thực vật có hoa hơn, chẳng hạn như dừa cạn, dã yên thảo hay hoa hồng. Ánh sáng phát ra cũng đang được các nhà khoa học cải tiến để chúng có cường độ phát quang mạnh hơn, nhiều màu sắc hơn.

“Mặc dù axit caffeic không có nguồn gốc từ động vật và cũng chẳng liên quan gì mấy, nhưng chúng tôi hoàn toàn có thể bật chế độ tự phát sáng như vậy trên cơ thể của các loài thú. Tuy nhiên, đây là một điều còn khá lâu mới thực hiện được,” các nhà nghiên cứu chia sẻ thêm.