Biến thực vật thành xưởng sản xuất protein động vật
Trong nỗ lực tìm kiếm giải pháp thay thế cho ngành chăn nuôi truyền thống vốn tiêu tốn nhiều tài nguyên, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) cùng các đối tác đã đạt được tiến triển quan trọng. Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ sinh học để biến cây xà lách và cây thuốc lá thành những nhà máy tự sản xuất myoglobin - loại protein động vật vốn tạo nên màu đỏ và hương vị đặc trưng của thịt heo hay thịt bò.
Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Frontiers in Plant Science cho thấy, bằng cách đưa gen myoglobin của heo vào bộ gen lục lạp, lượng tích tụ protein này đạt khoảng 2,7% tổng lượng protein hòa tan ở cây thuốc lá và 1,5% ở cây xà lách. Tác giả đầu tiên của công trình, Alexia Groff, nghiên cứu viên công nghệ sinh học thực vật tại Đại học Hoàng gia London, khẳng định đây là lần đầu tiên giới khoa học chứng minh thực vật bậc cao có khả năng tạo ra myoglobin một cách ổn định.
Myoglobin đóng vai trò then chốt trong việc tạo nên đặc tính của thịt. Loại protein này lưu trữ oxy, mang sắt heme và trực tiếp quy định màu đỏ tươi hoặc đỏ tím của thịt. Không chỉ ảnh hưởng đến thị giác, sắt heme trong myoglobin còn dễ hấp thụ hơn so với sắt phi heme trong thực vật, đồng thời tạo ra vị ngon đậm đà và vị kim loại đặc trưng khi thưởng thức.
Ưu thế tự nhiên khi đưa gen vào lục lạp
Trước đây, các phương pháp sản xuất protein động vật nhân tạo thường phụ thuộc vào việc lên men vi sinh vật như E. coli hay nấm men. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã chọn hướng đi mới khi tích hợp ổn định gen ngoại nhập vào lục lạp - cơ quan thực hiện chức năng quang hợp của thực vật.
Lục lạp và diệp lục của thực vật chia sẻ chung con đường tổng hợp sinh học tetrapyrrole với heme. Việc sản xuất myoglobin ngay bên trong lục lạp tạo ra lợi thế sinh hóa tự nhiên, vì protein mục tiêu và nhóm ngoại heme nằm trong cùng một môi trường. Các nhà khoa học đã dùng súng bắn gen đưa các hạt vàng mang DNA vào tế bào lá, sau đó sàng lọc để tái sinh những cây chuyển gen ổn định.
Kết quả thử nghiệm ghi nhận lượng myoglobin sản xuất trong lục lạp cao gấp ít nhất 3 lần so với phương pháp cấy gen vào nhân tế bào truyền thống, đồng thời vượt xa mức dưới 0,25% từng ghi nhận ở vi tảo Chlamydomonas reinhardtii. Tính theo trọng lượng khô, sản lượng myoglobin thu được đạt tới 800±110 mg/kg ở cây thuốc lá và 810±60 mg/kg ở cây xà lách.
Đặc biệt, cây trồng chuyển gen vẫn phát triển, ra hoa và kết hạt bình thường, đồng thời di truyền khả năng tạo protein động vật cho thế hệ sau. Việc thử nghiệm thành công trên xà lách - một loại cây ăn được - mở ra triển vọng cho phép bổ sung trực tiếp sinh khối thực vật vào thực phẩm mà không cần qua quy trình tinh chế phức tạp.
Thách thức về nguồn cung cấp heme và rào cản thương mại
Mặc dù đạt được bước tiến lớn về sản lượng, nghiên cứu cũng chỉ ra nút thắt kỹ thuật nằm ở tỷ lệ kết hợp heme. Phân tích cho thấy chỉ có khoảng 35% myoglobin thu được từ cây thuốc lá liên kết thành công với heme để tạo thành dạng chứa heme có đầy đủ chức năng. Tỷ lệ này thấp hơn đáng kể so với mức 80% khi sản xuất bằng vi khuẩn E. coli.
Mặc dù sự xuất hiện của myoglobin đã kích thích lá cây thuốc lá tự gia tăng tổng lượng heme lên gấp đôi, nguồn cung này vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu do sự cạnh tranh tiền chất với diệp lục. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đề xuất các giải pháp trong tương lai như tăng cường biểu hiện enzyme ferrochelatase 1 (FC1) hoặc bổ sung tiền chất axit 5-aminolevulinic (ALA).
Bên cạnh đó, mức tích tụ myoglobin trong thực vật hiện vẫn thấp hơn khoảng 10 lần so với cơ bắp động vật tự nhiên. Việc đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm ra thị trường còn đòi hỏi quá trình kiểm định nghiêm ngặt về an toàn thực phẩm, kiểm tra đặc tính oxy hóa khử, cũng như đánh giá chính xác hương vị và màu sắc khi kết hợp vào các sản phẩm chế biến.
Tham khảo: Zhihu
Đức Khương
