Khi cây trồng tạo ‘mùi thịt’: Kết quả và thách thức khi biểu hiện myoglobin trong xà lách và thuốc lá

Áp lực giảm thiểu tài nguyên từ chăn nuôi truyền thống đã thúc đẩy nhiều hướng tiếp cận sản xuất protein thay thế. Một trong những ý tưởng táo bạo nhất là tận dụng thực vật làm “nhà máy” sản xuất protein đặc trưng của thịt. Công trình do nhóm nghiên cứu tại Đại học Hoàng gia London (Imperial College London) phối hợp với các đối tác, công bố trên tạp chí Frontiers in Plant Science, cho thấy cây xà lách và cây thuốc lá có thể biểu hiện myoglobin — một protein quan trọng quyết định màu sắc và một phần hương vị của thịt.

Tại sao myoglobin lại được săn tìm?

Myoglobin là protein mang heme, có khả năng lưu trữ oxy và mang sắt heme — yếu tố góp phần tạo nên màu đỏ hoặc đỏ tím của thịt, đồng thời ảnh hưởng đến cảm nhận mùi vị: sắt heme giúp vị thịt đậm đà và tạo ghi nhận vị “kim loại” trong vài trường hợp. Vì vậy, nếu có thể tạo ra myoglobin trong nguồn thực vật, đó sẽ là bước tiến cho các sản phẩm thay thế thịt hướng tới độ chân thực cao hơn về màu sắc và vị giác.

Ý tưởng kỹ thuật: đưa gen myoglobin vào lục lạp

Khác với chiến lược biểu hiện gen trong nhân tế bào, nhóm nghiên cứu lựa chọn nhắm tới lục lạp — bào quan phụ trách quang hợp và chứa hệ sinh tổng hợp tetrapyrrole (mà trong đó có con đường dẫn tới heme). Về mặt sinh hóa, việc đặt enzyme và nhóm heme trong cùng không gian tế bào hứa hẹn tăng hiệu suất lắp ghép heme vào myoglobin so với biểu hiện ở các ngăn khác.

Để chuyển gen myoglobin của heo vào lục lạp, các nhà khoa học dùng kỹ thuật bắn hạt vàng mang DNA vào tế bào lá (gene gun), sau đó thực hiện chọn lọc và tái sinh những cây chuyển gen ổn định. Các cây thu được duy trì khả năng sinh trưởng bình thường, có hoa và tạo hạt; đặc biệt tính trạng biểu hiện myoglobin được di truyền cho thế hệ sau.

Kết quả định lượng: bao nhiêu myoglobin được tạo ra?

Thông số sản lượng do nhóm nghiên cứu báo cáo cho thấy mức biểu hiện đáng chú ý: myoglobin chiếm khoảng 2,7% tổng protein hòa tan ở cây thuốc lá và khoảng 1,5% ở xà lách. Nếu tính theo trọng lượng khô, số liệu đo được là khoảng 800±110 mg myoglobin trên mỗi kg cây thuốc lá khô và 810±60 mg/kg ở xà lách khô.

So sánh phương pháp, biểu hiện trong lục lạp mang lại năng suất myoglobin lớn hơn ít nhất 3 lần so với khi cấy gen vào nhân tế bào truyền thống. Mức biểu hiện này cũng vượt xa con số dưới 0,25% từng báo cáo khi thử nghiệm trên vi tảo Chlamydomonas reinhardtii.

Vấn đề then chốt: tỷ lệ liên kết heme chưa tối ưu

Một điểm giới hạn quan trọng mà nghiên cứu chỉ ra là tỷ lệ myoglobin có liên kết heme (tức là dạng có chức năng hoàn chỉnh) ở cây thuốc lá chỉ đạt khoảng 35%. Con số này thấp hơn đáng kể so với tỷ lệ khoảng 80% khi myoglobin được sản xuất trong vi khuẩn E. coli. Mặc dù sự hiện diện của myoglobin kích thích lá cây thuốc lá tăng tổng lượng heme lên khoảng gấp đôi, nguồn heme nội sinh vẫn chưa đủ để bão hòa cho phần lớn myoglobin mới sinh.

Nguyên nhân được nêu bao gồm sự cạnh tranh về tiền chất chung với con đường tạo diệp lục — một hợp chất quan trọng cho quang hợp. Việc hệ thống tổng hợp heme bị quá tải dẫn tới nhiều phân tử myoglobin tồn tại ở dạng chưa liên kết heme, do đó chưa có đầy đủ chức năng hóa học tương tự protein động vật.

Hướng giải quyết kỹ thuật được nhóm đề xuất

Dựa trên phân tích nút thắt nguồn heme, đội nghiên cứu gợi ý một số chiến lược khả thi để nâng tỷ lệ liên kết heme trong tương lai: tăng biểu hiện enzyme ferrochelatase 1 (FC1) — bước cuối cùng trong chèn ion sắt vào tiền chất để tạo heme — hoặc bổ sung tiền chất axit 5‑aminolevulinic (ALA) vào quá trình nuôi cấy nhằm tăng nguồn cung tiền chất cho con đường tổng hợp tetrapyrrole.

Những biện pháp này nhằm cân bằng nguồn cung tiền chất và tăng năng lực gắn heme, từ đó biến một phần lớn myoglobin sinh ra thành dạng chứa heme có hoạt tính, cải thiện đặc tính màu và hương vị mong muốn.

Ý nghĩa thực tiễn và những rào cản còn lại

Thử nghiệm thành công trên xà lách — một cây ăn được — mở ra triển vọng bổ sung trực tiếp sinh khối thực vật vào thực phẩm mà không cần quy trình tinh chế phức tạp, nếu các vấn đề an toàn và cảm quan được giải quyết. Tuy nhiên, còn nhiều thách thức để công nghệ tiến tới ứng dụng thương mại:

• Đánh giá an toàn thực phẩm: cần các thử nghiệm độc tính, dị ứng và đánh giá rủi ro liên quan đến protein ngoại lai.
• Độ oxi hóa khử và tính ổn định: myoglobin có thể tác động tới quá trình oxi hóa lipid và màu sắc khi chế biến.
• Quy mô sản xuất: quy mô phòng thí nghiệm phải được biến thành quy mô nông nghiệp hiệu quả về chi phí.
• Đánh giá cảm quan: lượng myoglobin không chỉ cần tồn tại mà còn phải mang lại màu sắc, mùi vị và kết cấu phù hợp trong sản phẩm cuối.

Như nghiên cứu thừa nhận, hiện lượng myoglobin trong thực vật vẫn thấp hơn khoảng 10 lần so với cơ bắp động vật tự nhiên; do đó lộ trình thương mại hóa cần nhiều bước tối ưu tiếp theo.

So sánh ngắn với các phương pháp khác

Trước đây, các nỗ lực tạo protein động vật nhân tạo dựa nhiều vào lên men vi sinh (E. coli, nấm men) hoặc biểu hiện trong vi tảo. Phương pháp lục lạp cho thấy lợi thế đặc trưng: môi trường sinh hóa của lục lạp giúp tăng năng suất myoglobin so với cấy gen vào nhân hoặc trên vi tảo, nhưng vẫn gặp khó khăn ở khâu gắn heme. Mỗi nền tảng có điểm mạnh và điểm yếu — ví dụ E. coli đạt tỷ lệ gắn heme cao hơn nhưng đòi hỏi các bước tinh chế và xử lý bổ sung nếu dùng trực tiếp cho thực phẩm.

Kết luận: một bước tiến có điều kiện

Thí nghiệm biểu hiện myoglobin trong cây xà lách và thuốc lá là minh chứng cho khả năng biến thực vật thành nguồn cung cấp các protein động vật đặc trưng. Kết quả định lượng cho thấy mức biểu hiện có ý nghĩa và trait có thể di truyền, nhưng tỷ lệ liên kết heme còn thấp là nút thắt kỹ thuật cần giải quyết. Nếu những vấn đề về nguồn heme, an toàn thực phẩm và cảm quan được khắc phục, phương pháp này có thể trở thành một trong các mảnh ghép quan trọng của chuỗi cung ứng protein thay thế trong tương lai.

Câu hỏi thường gặp

1. Việc biểu hiện myoglobin trong cây có làm cây bị yếu đi không?

Theo báo cáo, các cây chuyển gen vẫn sinh trưởng, ra hoa và tạo hạt bình thường; điều này cho thấy việc biểu hiện myoglobin không gây ảnh hưởng rõ rệt tới sự phát triển cơ bản trong điều kiện thí nghiệm được mô tả.

2. Myoglobin từ cây có giống hệt myoglobin từ thịt không?

Về cấu trúc protein, đoạn mã myoglobin từ heo được biểu hiện trong cây tạo ra protein tương tự, nhưng một phần lớn myoglobin trong cây chưa liên kết heme (khoảng 35% ở cây thuốc lá), do đó chưa có đầy đủ chức năng như protein chứa heme hoàn chỉnh từ mô cơ động vật.

3. Có thể ăn trực tiếp xà lách sinh myoglobin không?

Bản thân thí nghiệm mở ra khả năng bổ sung sinh khối chuyển gen trực tiếp vào thực phẩm, nhưng trước khi khuyến nghị tiêu thụ cần có các bước kiểm định an toàn thực phẩm chính thức, đánh giá độc tính và cảm quan theo quy định.

4. Những bước tiếp theo để nâng tỷ lệ gắn heme là gì?

Nhóm nghiên cứu đã đề xuất các chiến lược như tăng biểu hiện enzyme ferrochelatase 1 (FC1) hoặc bổ sung tiền chất axit 5‑aminolevulinic (ALA) nhằm tăng nguồn heme, qua đó cải thiện tỷ lệ gắn heme vào myoglobin.

Những thông tin trong bài được tổng hợp từ công bố của nhóm nghiên cứu thuộc Imperial College London trên tạp chí Frontiers in Plant Science và các dữ liệu định lượng nêu trong công bố đó.