Light Bio - Ứng dụng công nghệ sinh học tạo ra thực vật phát sáng

Với Karen Sarkisyan, không có gì đáng kinh ngạc hơn một căn phòng tối đầy hoa dã yên thảo rực sáng. Mong muốn của anh là biến những khu vườn phát sáng kỳ diệu tựa như khung cảnh trong bộ phim Avatar trở thành hiện thực.

“Tôi luôn hứng thú với những thứ phát sáng trong bóng tối”, Sarkisyan, nhà đồng sáng lập Công ty Công nghệ sinh học Light Bio (Hoa Kỳ), cho biết. Startup này hiện đang bán những cây dã yên thảo biến đổi gene có thể phát ra ánh sáng xanh neon trong bóng tối do được bổ sung DNA từ một loại nấm phát quang sinh học có tên là Neonothopanus nambi. Là một loại nấm phổ biến ở các khu rừng nhiệt đới, ban ngày Neonothopanus nambi có màu nâu bình thường, nhưng khi đêm xuống, nó phát ra ánh sáng xanh kỳ quái.

Hiện nay, có khoảng 1.500 loài phát quang sinh học, bao gồm vi khuẩn, cá, sứa, côn trùng, động vật lưỡng cư, động vật chân đốt và nấm. Hiện tượng này xuất hiện một cách tự nhiên khi oxy phản ứng với chất luciferin, dưới sự trợ giúp của enzyme luciferase, để tạo ra quang năng. Người ta vẫn chưa hiểu rõ quá trình phát quang sinh học ở hầu hết các sinh vật, ngoại trừ vi khuẩn.

Năm 2018, một nhóm các nhà khoa học quốc tế, bao gồm Sarkisyan đã xác định được các enzyme giúp nấm Neonothopanus nambi phát sáng. Hai năm sau, họ chèn các gene chứa các enzyme này vào cây thuốc lá, khiến chúng phát ra ánh sáng màu xanh lục ở lá, thân, rễ và hoa.
Startup Light Bio ra đời dưới sự hợp tác của Sarkisyan và nhà hóa học Keith Wood - một trong những nhà khoa học tạo ra cây phát sáng biến đổi gene đầu tiên vào năm 1986 nhờ ứng dụng gene từ đom đóm. Phát hiện này đã được công bố trên Science. Dù ánh sáng phát ra mờ nhạt song “đó thực sự là một điều mới lạ vào thời điểm đó,” Wood nói.

Tuy nhiên, những loại cây này không thể tự phát sáng. Người ta phải tưới một loại hóa chất chuyên dụng cần thiết - luciferin từ đom đóm để giúp cây phát sáng liên tục.

Nhiều thập kỷ sau, các nhà nghiên cứu tại MIT cũng sử dụng hóa chất này để tạo ra cây phát sáng bằng cách đóng gói enzyme đom đóm vào hạt nano được dùng làm hệ thống phân phối. Sau khi được ngâm trong dung dịch chứa các hạt này, thực vật có thể phát sáng trong vài giờ.
Nhưng đây không phải là điều mà người dùng mong muốn. Wood cho biết ý tưởng này chưa thể thương mại hóa thành công vì “mọi người muốn những cây trồng có khả năng phát sáng rực rỡ mà không cần bất kỳ yêu cầu hay phương pháp xử lý đặc biệt nào”.

Năm 2010, các nhà khoa học tại Đại học Stony Brook đã sử dụng gene từ vi khuẩn biển phát quang sinh học để tạo ra một loại cây tự phát sáng, tuy rất mờ. Dựa trên kết quả này, doanh nhân Antony Evans đã phát động chiến dịch Kickstarter vào năm 2013 nhằm tạo ra “những thực vật phát sáng không cần điện” bằng cách sử dụng một loại vi khuẩn khác, với cam kết những người quyên góp cho chiến dịch sẽ nhận được hạt giống cây trồng phát sáng. Dự án đã huy động được gần nửa triệu USD trên Kickstarter, làm dấy lên mối lo ngại về nguy cơ phát tán các loại cây biến đổi gene trên quy mô lớn có thể biến chúng thành loài xâm lấn gây hại.

Sau nhiều năm mày mò, công ty của Evans, Taxa Biotechnologists, vẫn không thể hoàn thành được lời hứa của mình. Việc tạo ra cây tự phát sáng khó hơn những gì họ mường tượng. Không phải cứ bổ sung các nhân tố di truyền mới thì sẽ tạo ra đặc tính mới cho thực vật, điều quan trọng là các nhân tố này phải thực sự tích hợp với vật chủ. Tuy nhiên, gene đom đóm và vi khuẩn không hoạt động tốt trên thực vật.

Sarkisyan và Wood đã giải quyết được vấn đề này. Con đường phát quang sinh học của nấm do họ phát hiện có thể phối hợp với hệ thống trao đổi chất của cây trồng để tạo ra ánh sáng. Quá trình này liên quan đến axit caffeic - một trong những nhân tố tạo nên thành tế bào thực vật. Ở nấm, nó được chuyển hóa thành luciferin bởi bốn loại enzyme khác nhau. Startup Light Bio đã sử dụng các gene tạo ra các enzyme này để tạo ra cây phát sáng.

Theo Light Bio, cây dã yên thảo phát sáng của họ phát ra ánh sáng rực rỡ hơn bất kỳ loại cây phát sáng nào trước đó. Đặc biệt, phần phát sáng nhất là những bông hoa.

Dù nhiều loại thực phẩm biến đổi gene được lưu hành trên khắp thế giới, chỉ có một ít loại cây cảnh biến đổi gene được đưa ra thị trường, gồm hoa hồng xanh và một số màu hoa cẩm chướng tím.

Ở Hoa Kỳ, những công ty muốn kinh doanh các loại cây trồng biến đổi gene mới phải được chính phủ phê duyệt. Với cây dã yên thảo phát sáng của Light Bio, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ xác định nó không gây ra các vấn đề liên quan đến sâu bệnh hoặc dịch bệnh trong nông nghiệp so với những cây dã yên thảo thông thường, do vậy, người ta có thể trồng và nhân giống cây dã yên thảo phát sáng bên ngoài phòng thí nghiệm.

Jennifer Kuzma, đồng giám đốc của Trung tâm Xã hội và Kỹ thuật Di truyền tại Đại học bang North Carolina, lo ngại rằng cơ quan này chưa đánh giá nghiêm ngặt về các rủi ro sinh thái và môi trường tiềm ẩn của dã yên thảo phát sáng. Dù hiện tượng phát quang sinh học xảy ra một cách tự nhiên nhưng thực vật phát sáng có thể ảnh hưởng đến hành vi của côn trùng và động vật không quen với hiện tượng này. “Tác động sẽ phụ thuộc vào việc loại cây này được trồng rộng rãi ở mức độ nào”, cô nhận xét.

Light Bio đã giải quyết mối lo ngại trên. Trong hồ sơ gửi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, họ cho biết cây dã yên thảo thường được trồng trong nhà, cơ sở kinh doanh hoặc vườn thực vật của người dân, nơi “ánh sáng nhân tạo ban đêm vượt xa mức phát quang từ cây dã yên thảo tự phát sáng”.
Hiện nay, Light Bio đang tập trung thương mại hóa sản phẩm này. Khi họ công bố kế hoạch đưa cây dã yên thảo phát sáng ra thị trường vào năm ngoái, hơn 10.000 người đã đăng ký. Light Bio đang có sẵn 50.000 cây, sẵn sàng cung cấp cho người tiêu dùng với giá 29 USD mỗi cây.

Nhiều người sẽ thắc mắc ý nghĩa của một cây trồng phát sáng là gì. Drew Endy, phó giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Stanford, đã mường tượng ra nhiều thứ, chẳng hạn như thay thế cho ánh sáng nhân tạo. Ông bày tỏ sự vui mừng khi Light Bio đã hồi sinh ý tưởng về thực vật phát quang sinh học. Endy cho biết, số lượng người đóng góp cho dự án Kickstarter thất bại cách đây một thập kỷ cho thấy sự quan tâm của công chúng với chủ đề này.

Light Bio đã huy động được 2 triệu USD tài trợ từ vòng hạt giống. “Tất cả chi phí và khó khăn đều tập trung vào quá trình tạo ra cây phát sáng ban đầu. Giờ đây, chúng tôi đã làm được điều đó, hạt giống mang gene và các cây ở thế hệ sau đều có khả năng phát quang sinh học. Và ở những khía cạnh khác, cây dã yên thảo biến đổi gene này vẫn giống hệt cây dã yên thảo thông thường”, Wood cho biết.

“Light Bio đang đưa chúng ta đến gần hơn với giấc mơ solarpunk (một trào lưu văn học và nghệ thuật hướng đến một tương lai bền vững, gắn kết với thiên nhiên và cộng đồng). Kết quả này không chỉ mới lạ và thú vị - nó còn cho thấy sức mạnh của sinh học tổng hợp có thể thắp sáng niềm đam mê thiên nhiên và công nghệ như thế nào”, Jason Kelly, đồng sáng lập và CEO của Ginkgo Bioworks, nhận xét.

Nguồn: Wired, Agfundernews