AMES, Iowa - Các nhóm nghiên cứu từ Đại học bang Iowa và Viện nghiên cứu sinh học Salk đã phát hiện ra chức năng của ba loại protein thực vật, một khám phá có thể giúp các nhà khoa học thực vật tăng cường sản xuất dầu hạt trong cây trồng, từ đó có lợi cho việc sản xuất thực phẩm, hóa chất sinh học và nhiên liệu sinh học.
Phân tích hoạt động gen (của nhóm Iowa) và xác định cấu trúc protein (của nhóm Salk) được xác định độc lập trong cây cải xoong thực vật mô hình (Arabidopsis thaliana) ba protein liên quan dường như có liên quan đến chuyển hóa axit béo. Các nhà nghiên cứu của Iowa và Salk sau đó đã hợp lực để kiểm tra giả thuyết này, chứng minh vai trò của các protein này trong việc điều chỉnh lượng và loại axit béo tích lũy trong thực vật. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hoạt động của các protein rất nhạy cảm với nhiệt độ và tính năng này có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc làm thế nào thực vật giảm thiểu căng thẳng nhiệt độ bằng cách sử dụng axit béo.
Theo các nhà nghiên cứu của bang Iowa, các khu vực màu xanh lam trong nhà máy cải xoong này cho thấy nơi mà một gen protein liên kết với axit béo được thể hiện. Các khu vực màu xanh cũng tương ứng với các khu vực nơi cây axit cao sẽ được tổng hợp bởi nhà máy. Hình ảnh lịch sự của Eve Syrkin Wurtele và Micheline Ngaki.
Khám phá được công bố trực tuyến tại Nature.com, trang web của tạp chí Nature. Các tác giả tương ứng là Eve Syrkin Wurtele, giáo sư về di truyền học, phát triển và sinh học tế bào tại bang Iowa; và Joseph Noel, một giáo sư và giám đốc của Trung tâm Sinh học Hóa học và Sinh học Jack H. Skirball tại Viện Salk ở La Jolla, Calif., và là một điều tra viên của Viện Y khoa Howard Hughes.
Công việc này có ý nghĩa chính trong việc điều chỉnh các thành phần axit béo trong thực vật, điều này cực kỳ quan trọng, không chỉ đối với sản xuất thực phẩm và dinh dưỡng bền vững mà giờ đây còn đối với các hóa chất và nhiên liệu sinh học.
Vì các phân tử năng lượng rất cao như axit béo được tạo ra trong nhà máy sử dụng năng lượng của mặt trời, những loại phân tử này cuối cùng có thể cung cấp nguồn hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất cho các sản phẩm sinh học.
Mặc dù các nhà nghiên cứu hiện hiểu rằng ba protein - được gọi là protein liên kết với axit béo một, hai và ba, hoặc FAP1, FAP2 và FAP3 - có liên quan đến sự tích tụ axit béo trong các mô thực vật như lá và hạt, các nhà nghiên cứu vẫn nói không hiểu cơ chế vật lý mà các protein này sử dụng ở cấp độ phân tử. Kiến thức đó cuối cùng sẽ cho phép hai nhóm nghiên cứu hợp tác dự đoán các kỹ năng tốt hơn trong thực vật.
Để xác định chức năng protein protein trong thực vật, nhóm nghiên cứu Wurtele, đã sử dụng chuyên môn về sinh học phân tử và tin sinh học (ứng dụng công nghệ máy tính vào nghiên cứu sinh học).
Một công cụ mà các nhà nghiên cứu của bang Iowa đã sử dụng là MetaOmGraph, phần mềm họ đã phát triển để phân tích các bộ dữ liệu công khai lớn về mô hình hoạt động của gen dưới những thay đổi phát triển, môi trường và di truyền khác nhau. Phần mềm tiết lộ rằng các kiểu biểu hiện của gen FAP giống với kiểu gen mã hóa các enzyme tổng hợp axit béo. Các phân tích cũng cho thấy sự tích lũy của hai trong số các protein là cao nhất trong các khu vực của nhà máy nơi sản xuất lượng dầu lớn nhất. Những manh mối này đã khiến các nhà nghiên cứu dự đoán rằng ba protein FAP rất quan trọng đối với sự tích tụ axit béo.
Các nhà nghiên cứu của bang Iowa sau đó đã thử nghiệm lý thuyết này bằng cách so sánh các axit béo của thực vật đột biến thiếu protein FAP với các loại thực vật bình thường. Mặc dù vẻ ngoài khỏe mạnh của cây đột biến, hàm lượng axit béo tổng thể lớn hơn so với cây bình thường và các loại axit béo khác nhau.
Đại học bang Iowa, Micheal Ngaki, trái, và Eve Syrkin Wurtele đã phân tích hoạt động gen của cây cải xoong để xác định vai trò của ba loại protein thực vật trong việc điều chỉnh lượng và loại axit béo trong thực vật. Ảnh của Bob Elbert.
Noel và các nhà nghiên cứu tại Viện Salk đã sử dụng nhiều kỹ thuật - bao gồm tinh thể học và hóa sinh tia X - để mô tả cấu trúc của protein FAP1, FAP2 và FAP3 và để xác định rằng protein liên kết các axit béo.
Ryan Philippe, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ cho biết, các protein dường như là các liên kết bị thiếu quan trọng trong quá trình chuyển hóa axit béo ở Arabidopsis và có khả năng phục vụ chức năng tương tự ở các loài thực vật khác vì chúng tôi tìm thấy các gen tương tự lan rộng khắp vương quốc thực vật. trong phòng thí nghiệm của Noel.
Các tác giả đầu tiên của bài báo là Micheline Ngaki, một học giả Fulbright từ Congo và một sinh viên tốt nghiệp về di truyền học, phát triển và sinh học tế bào tại bang Iowa; Gordon Louie, một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Salk; và Philippe. Các cộng tác viên khác bao gồm Ling Li, một giáo sư trợ lý phụ tá của bang Iowa và nhà khoa học liên kết về di truyền học, phát triển và sinh học tế bào; Gerard Manning, giám đốc Trung tâm tin sinh học Salk cha Razavi Newman; và Marianne Bowman, Florence Pojer và Elise Larsen, các nhà nghiên cứu của Viện Y khoa Howard Hughes tại Trung tâm Skirball Salk.
Dự án được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia bao gồm Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật về hóa chất sinh học có trụ sở tại bang Iowa, Viện Ung thư Quốc gia, Viện Y khoa Howard Hughes và giải thưởng Ngaki chanh Fulbright. Hỗ trợ bổ sung đến từ Viện Khoa học Thực vật Tiểu bang Iowa.
Khám phá về mối liên hệ giữa protein FAP và axit béo thực vật có thể rất hữu ích cho các nhà khoa học thực vật.
Nếu các nhà nghiên cứu có thể hiểu chính xác vai trò của protein trong sản xuất dầu hạt, thì Ngaki cho biết, họ có thể điều chỉnh hoạt động của protein trong các chủng thực vật mới tạo ra nhiều dầu hoặc chất lượng cao hơn so với cây trồng hiện tại.
Hơn nữa, nếu ba protein giúp thực vật điều chỉnh căng thẳng, các nhà khoa học thực vật có thể khai thác đặc điểm đó để phát triển thực vật có khả năng chống lại căng thẳng cao hơn, Wurtele nói. Và điều đó có thể cho phép nông dân trồng trọt các loại nhiên liệu và hóa chất có thể tái sinh trên vùng đất cận biên mà không phù hợp với cây lương thực.
Tất cả những điều này, cô nói, có thể chỉ ra những hướng mới trong các nghiên cứu sinh học.
Chúng tôi đang bước vào thời đại sinh học dự đoán, theo ông Wurtele. Điều đó có nghĩa là khai thác các phương pháp tính toán để suy ra chức năng gen, mô hình hóa các quá trình sinh học và dự đoán hậu quả của việc thay đổi một gen duy nhất thành mạng lưới sinh học phức tạp của một sinh vật.
Tái xuất bản với sự cho phép của Đại học bang Iowa.