Quá trình quang hợp – khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học – từ lâu đã được biết đến như một đặc điểm nổi bật của thực vật và tảo. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Tokyo gần đây đã tiến thêm một bước dài khi thử nghiệm việc tích hợp lục lạp có khả năng quang hợp vào tế bào động vật nuôi cấy, với mục tiêu tạo ra những tế bào động vật có thể tự cung cấp năng lượng thông qua quang hợp. Liệu đây có phải là bước đột phá lớn trong sinh học tổng hợp, hay chỉ là một thí nghiệm đầy rủi ro?
Lý Thuyết Đã Quen Thuộc Về Lục Lạp Và Quá Trình Quang Hợp
Trước hết, chúng ta cần hiểu lục lạp là gì. Lục lạp (chloroplast) là các cơ quan trong tế bào của thực vật và tảo, đóng vai trò then chốt trong quá trình quang hợp. Chúng sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra năng lượng bằng cách chuyển đổi carbon dioxide và nước thành glucose và oxy. Quá trình này không chỉ thiết yếu cho sự sống của thực vật mà còn ảnh hưởng sâu rộng đến sự sống trên Trái Đất, vì nó cung cấp phần lớn oxy trong khí quyển.
Tại sao các nhà khoa học lại muốn đưa lục lạp vào tế bào động vật? Câu trả lời nằm trong ứng dụng của sinh học tổng hợp – một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh, nhằm thiết kế và tạo ra các hệ thống sinh học nhân tạo. Trong trường hợp này, việc biến tế bào động vật thành “nhà máy” quang hợp có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài, đồng thời mở ra những cơ hội mới cho nghiên cứu y học và môi trường.
Lục Lạp Vẫn Hoạt Động Trong Tế Bào Động Vật
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã sử dụng lục lạp có khả năng quang hợp từ tảo đỏ Cyanidioschyzon merolae và tích hợp chúng vào tế bào chuột đồng nuôi cấy. Kết quả ban đầu là lục lạp vẫn duy trì được cấu trúc thylakoid và tiếp tục thực hiện hoạt động quang hợp trong môi trường tế bào động vật. Thậm chí, các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng các lục lạp này vẫn duy trì được hoạt động vận chuyển electron trong quang hợp trong ít nhất hai ngày sau khi được đưa vào tế bào.
Nếu những kết quả này có thể được tái tạo và duy trì lâu dài, chúng sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu và ứng dụng quang hợp trong sinh học động vật. Nhưng liệu chúng ta có thể tin tưởng vào những kết quả này trong dài hạn?
Liệu Quá Trình Quang Hợp Có Thực Sự Duy Trì Được?
Dù kết quả ban đầu đầy hứa hẹn, nhưng không thể không đặt ra những câu hỏi lớn về khả năng duy trì lâu dài hoạt động quang hợp trong tế bào động vật. Một trong những câu hỏi quan trọng là: Cơ chế nào khiến lục lạp có thể hoạt động trong tế bào động vật trong một khoảng thời gian ngắn? Liệu chúng có thể duy trì hiệu quả quang hợp trong các điều kiện nuôi cấy lâu dài hay không?
Ngoài ra, việc lục lạp có thể tồn tại trong tế bào động vật mà không gây ra phản ứng miễn dịch hay các vấn đề khác về chuyển hóa là một yếu tố cần được kiểm tra kỹ lưỡng. Trong tự nhiên, các sinh vật như cây cối và tảo đã tiến hóa để hỗ trợ quá trình quang hợp. Liệu các tế bào động vật có thể thích nghi với một quá trình hoàn toàn mới như vậy mà không có sự hỗ trợ của các cơ chế tiến hóa phù hợp?
Thêm vào đó, việc tích hợp lục lạp vào tế bào động vật có thể gây ra những vấn đề khác, chẳng hạn như việc chúng có thể tương tác không mong muốn với các thành phần trong tế bào động vật. Mặc dù thí nghiệm đã chứng minh rằng lục lạp tồn tại trong tế bào động vật trong một thời gian ngắn, nhưng khả năng duy trì chức năng này trong điều kiện tế bào động vật vẫn còn là một câu hỏi mở.
Tiềm Năng Và Những Thử Thách
Mặc dù nghiên cứu này mở ra một viễn cảnh đầy hứa hẹn trong lĩnh vực sinh học tổng hợp và công nghệ sinh học, chúng ta không thể bỏ qua những hoài nghi hợp lý về khả năng duy trì hoạt động quang hợp trong tế bào động vật. Dù vậy, nếu thành công, việc tích hợp lục lạp vào tế bào động vật có thể đánh dấu một bước tiến lớn trong việc phát triển các hệ thống sinh học nhân tạo và cung cấp các giải pháp sáng tạo cho các vấn đề toàn cầu như năng lượng và môi trường. Nhưng, như mọi nghiên cứu khoa học, chúng ta phải tiếp tục quan sát, kiểm tra và kiểm chứng để xác nhận liệu đây có phải là một bước đột phá thực sự hay chỉ là một thí nghiệm đầy tham vọng.
Ryota AOKI, Yayoi INUI, Yoji OKABE, Mayuko SATO, Noriko TAKEDA-KAMIYA, Kiminori TOYOOKA, Koki SAWADA, Hayato MORITA, Baptiste GENOT, Shinichiro MARUYAMA, Tatsuya TOMO, Kintake SONOIKE, Sachihiro MATSUNAGA. Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 2024; 100 (9): 524 DOI: 10.2183/pjab.100.035