Cách tiếp cận giống tế bào gốc trong thực vật rọi ánh sáng vào sự hình thành thành tế bào biệt hóa

Một phương pháp mới do các nhà sinh học trường đại học bang Pennsylvania cho phép họ đưa các tế bào thực vật đã được phân tích thành các dạng khác của tế bào, tương tự cách các tế bào gốc biệt hóa thành các dạng tế bào khác nhau.

Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra các mô hình dạng dải làm gia tăng tính bền của thành tế bào thực vật – giống như các mô hình lượn sóng trong các tấm bìa – và cách chúng được tạo ra. Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu tiết lộ cách sự tập hợp các cấu trúc này có thể lạc lối trong những tế bào thực vật đột biến khác nhau mà họ cho rằng có thể cuối cùng cũng hình thành những phương pháp để phá vỡ các tế bào thực vật cho nhiên liệu sinh học.

Một bài báo miêu tả kết quả nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí The Plant Cell.

Cellulose, một thành phần cấu trúc của thành tế bào thực vật, một nguồn nhiên liệu phong phú và hứa hẹn. Tuy nhiên, các kỹ thuật chung để chiết xuất cellulose từ thành tế bào, bao gồm cả việc loại bỏ các phân tử lớn mà người ta gọi là các polymer, vốn đòi hỏi các dung môi hóa học, các enzyme và các phản ứng tại những mức nhiệt độ cao khiến làm tăng chi phí và độ phức tạp trong quá trình thực hiện. Việc có thêm hiểu biết về cách các thành tế bào xây dựng có thể rọi ánh sáng mới vào những cách mới mẻ, hiệu quả về chi phí để tách chiết cellulose, theo các nhà nghiên cứu.

“Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra vô số cách có tiềm năng cải thiện hiệu quả của quá trình tách chiết cellulose, ví dụ như thao tác các polymer khác trong thành tế bào như xylan và lignin”, theo Sarah Pfaff, nhà nghiên cứu postdoct tại Trường khoa học Eberly Penn State, người dẫn dắt nghiên cứu.

“Nhưng các cấu trúc độc đáo hình thành bằng các tế bào ‘nhân tố có mạch ống chất gỗ’ thường không thể phát triển trong các cây có đột biến, do các tế bào suy sụp và cuối cùng giảm tăng trưởng của cây và cả số lượng cellulose có thể tách chiết được. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã khám phá được cách các thành tế bào độc đáo đó được tập hợp trong các tế bào thực vật khỏe mạnh và cách quá trình này bị lỗi trong các đột biến như thế nào”.

Các yếu tố mạch ống chất gỗ (XTEs) là dạng tế bào cho phép nước chuyển từ rễ lên các lá và chúng có các thành tế bào rất dày. Không giống các tế bào khác, Pfaff nói, các polymer giống cellulose, xylan và lignin xuất hiện trong những vị trí cụ thể trong các thành tế bào của XTEs, tạo ra mô hình dạng dải. Khi các mô hình đó không được hình thành một cách phù hợp trong các tế bào đột biến, các tế bào có thể bị suy sụp do áp lực của các dòng nước chuyển động chống lại trọng lực.

“Các mô hình dạng dải trong XTEs đóng vai trò như mô hình gợn sóng trog tấm bìa, làm tăng độ bền của thành tế bào”, Pfaff nói. “Sử dụng các phương pháp truyền thống thì rất khó để thấy từng tế bào để hiểu được cách mô hình dạng dải bị phá vỡ trong các tế bào đột biến. Vì vậy chúng tôi đã phát triển một phương pháp cho phép chúng tôi quan sát từng tế bào riêng lẻ”.

Với việc phương pháp mới tận dụng được nguyên sinh chất, các tế bào riêng lẻ đã tách được thành tế bào, giúp các nhà nghiên cứu đưa dưỡng chất mà Pfaff gọi là một “kích hoạt gene’ để biệt hóa thành một dạng tế bào mới. Dẫu các nguyên sinh chất này đã được sử dụng trên vô số nghiên cứu về thực vật trước đây, phương pháp mới cho phép các nhà nghiên cứu quan sát các tế bào khi chúng biệt hóa thành dạng tế nào XTE độc đáo.

“Chúng tôi cung cấp nguyên sinh chất với một nhân tố phiên mã – một dạng kích hoạt gene – vì vậy chúng phát triển thành một dạng tế bào mới dựa trên tín hiệu đó”, Pfaff nói. “Nó giống như các tế bào gốc mà chúng tôi có thể tái lập trình sự phát triển của chúng và quan sát việc chúng chuyển thành các dạng tế bào khác nhau. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đặc biệt cảm nhận chất nguyên sinh từ cây khỏe mạnh lẫn cây đột biến thành các XTE và quan sát cách các mô hình dạng dải trong thành tế bào của chúng được hình thành như thế nào”.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra các phản ứng nhất định giữa cellulose và xylan đều cần thiết cho các dải hình thành một cách chính xác và đó là mạng lưới thành tế bào được tập hợp đúng đắn của các polymer đóng vai trò như một giàn giáo để chi phối mô hình dạng dải đó. Họ phát hiện ra là trong các tế bào đột biến khác nhau, mô hình dạng dải này đã thất bại theo nhiều cách khác nhau.

“Nghiên cứu trước đây đã tập trung vào cách bên trong của tế bào có thể tác động đến thành tế bào, vốn được đồng bộ hóa bên ngoài tế bào nhưng chúng tôi phát hiện ra là nó còn được vận hành theo hướng khác nữa”, Pfaff nói. “Cấu trúc thành tế bào có thể còn tác động lên những gì diễn ra bên trong tế bào, và chúng có thể phản hồi lẫn nhau. Công trình này đem lại những thông tin quan trọng về cách các thành tế bào được tạo ra như thế nào và cách các dạng đột biến có thể ảnh hưởng đến tương lai như thế nào”.

Theo Pfaff, hiểu biết về cách các thành tế bào được hình thành là điều được ngành lâm nghiệp, khoa học vật liệu quan tâm cũng như việc sản xuất nhiên liệu sinh học. Nhóm nghiên cứu lên kế hoạch sử dụng phương pháp của họ để khám phá các dạng khác của thành tế bào được tạo ra như thế nào.

“Thay vì lai tạo các cây đột biến với nhau để tạo ra nhiều đặc điểm di truyền khác nhau trên một cây, có thể mất nhiều tháng thì giờ người ta có thể khám phá nhiều cách kết hợp khác nhau trong từng tế bào”, Pfaff nói. “Bạn có thể sử dụng các dạng khác nhau của kích hoạt di truyền để nghiên cứu về các dạng tế bài khác, có thể dẫn đến những gợi ý khác trong suốt ngành sinh học thực vật”.

Ngoài Pfaff, nhóm nghiên cứu tại Penn State còn có Edward Wagner, nhà nghiên cứu chính và Daniel Cosgrove, Chủ tịch ngành sinh học Eberly Family.

Thanh Phương dịch từ trường đại họcbang Pennsylvania

Nguồn: https://science.psu.edu/news/Pfaff10-2024