Sự phân hủy pectin trong thành tế bào thực vật bởi enzyme vi sinh vật mở ra khả năng tiếp cận các thành phần giàu dinh dưỡng ở tế bào thực vật. 

Một nhóm nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Sinh thái hóa học Max Planck ở Jena, Đức cho thấy một nghiên cứu mới về cách bọ cánh cứng đã phân hủy thành công các nguồn thức ăn mới và khó tiêu hóa trước đây cho quá trình tiến hóa của chúng. Côn trùng sử dụng enzyme của vi sinh vật thông qua cơ chế chuyển gen theo hàng ngang để chúng có thể phân huỷ pectin, thành phần cứng của tế bào thực vật. Vì các chất thu được từ sự phân huỷ pectin không phải là yếu tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của bọ cánh cứng, các nhà khoa học đã kết luận bọ cánh cứng phá hủy thành tế bào để tiếp cận với tế bào chất giàu dinh dưỡng của tế bào thực vật, thứ mà chúng cần để cung cấp dinh dưỡng. (Kỷ yếu của Viện Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, DOI: 10.1073/pnas.2205857119). 

Bọ cánh cứng ăn bắp cải. Các dòng bọ cánh cứng này không có enzyme pectinase sau khi chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas9  không có khả năng phân hủy pectin thành tế bào thực vật. Sự sinh trưởng và sống sót của chúng bị suy giảm nghiêm trọng. 

Những phát hiện hóa thạch về sự phá hoại của côn trùng trên thực vật là bằng chứng cho thấy các loài côn trùng đã sử dụng thực vật làm nguồn thức ăn trong hơn 400 triệu năm. Các nhà khoa học đã nghiên cứu cách những loài côn trùng ăn cỏ có thể phá vỡ các thành phần khó tiêu hóa trong thức ăn có nguồn gốc từ thực vật. Các nghiên cứu trước đây cho thấy enzyme phân giải pectin đã có ở các loài bọ cánh cứng ăn cỏ. Các nhà khoa học cũng đã chứng minh những enzyme này ở bọ cánh cứng đều có nguồn gốc vi sinh vật. Câu hỏi đặt ra cho các nghiên cứu hiện tại là tầm quan trọng của các enzyme này đối với dinh dưỡng và thể trạng của côn trùng như thế nào, trong trường hợp này là bọ cánh cứng Phaedon cochleariae. 

“Mục tiêu của chúng tôi là hiểu rõ hơn cách các loài côn trùng ăn cỏ phân hủy thành tế bào như thế nào để tạo nên phần lớn thức ăn hằng ngày của chúng. Pectin là chất nền bao gồm các sợi cellulose và hemicelluose trong thành tế bào thực vật, nó là thành phần của tế bào kết nối với lớp màng giữa. Do đó, pectin phải được tiêu hóa trước để các enzyme cellulase và hemicellulase tiếp cận với tế bào chất và cuối cùng tế bào thực vật cũng được phóng thích khỏi thành tế bào bảo vệ chúng. Trong trường hợp này, hoạt động của enzyme pectinase, enzyme phân huỷ pectin, là yếu tố quan trọng cho việc tiêu hóa có hiệu quả thức ăn của bọ cánh cứng”, Roy Krisch nói. 

Roy Krisch đang tải trình tự thế hệ thứ 3: trình tự nanopore giúp giải trình tự của bọ mô hình Phaedon cochleariae. Đây là điều kiện tiên quyết để chỉnh sửa bộ gene tiếp theo dựa trên công nghệ CRISPR-Cas9, cũng như xác định kiểu gen của loài bọ cánh cứng. 

Để nghiên cứu vai trò của enzyme pectinase, các nhà khoa học đã tạo ra loài bọ cánh cứng không có enzyme này. Điều này khó hơn mong đợi ban đầu. Thậm chí, việc giảm mạnh hoạt động của enzyme pectinase bằng thí nghiệm loại bỏ  RNAi ở bọ cánh cứng cũng không đủ để ức chế hiệu quả của việc tiêu hóa pectinase. Chúng tôi chỉ có thể loại bỏ hoàn toàn các gen mã hóa pectinase bằng kỹ thuật chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas9, trưởng nhóm nghiên cứu Yannick Pauchet đã nhấn mạnh tầm quan trọng của “genetic scissors” – một kỹ thuật mới đã được giải Nobel hóa học năm 2020 của hai nhà khoa học Emmanuelle Charpentier and Jennifer Doudna. 

“Ấu trùng bị đột biến bất hoạt enzyme pectinase được tạo ra theo cách này có khả năng sống sót thấp. Một câu hỏi được đặt ra là các sản phẩm được tạo thành từ việc tiêu hóa pectin có cải thiện được tỷ lệ sống sót của những con bọ này khi áp dụng bằng đường uống cho giai đoạn bọ ấu trùng hay không. Mặt khác, các chỉ số quan trọng cho thấy bọ cánh cứng không chỉ tiêu hóa pectin để lấy các chất cần cho quá trình trao đổi chất của chúng mà chúng còn phá hủy pectin cũng như các thành phần polysacharide khác ở thành tế bào để tiến đến tế bào chất giàu protein của tế bào thực vật”, Roy Krisch tóm tắt kết quả. 

“Nghiên cứu trong những năm gần đây, bao gồm dự án của nhóm Yannick Pauchet, cho thấy việc thu nhận enzyme vi sinh vật bằng kỹ thuật chuyển gen ngang đã đóng góp rất nhiều vào sự phong phú của loài bọ cánh cứng cũng như đại diện của các loài côn trùng khác như mọt ngũ cốc, côn trùng tiết chất kết dính. Việc chiếm hữu enzyme từ các vi sinh vật khác giống như một đường tắt trong tiến hóa, trong mọi trường hợp nó tạo điều kiện cho côn trùng phát hiện các cây giàu pectin làm nguồn thức ăn ngay từ đầu. “Trên thực tế có một vài điều trớ trêu là pectinase lần đầu tiên xuất hiện ở thực vật để thích ứng  theo nhu cầu thay đổi cấu trúc pectin của thực vật. Các enzyme này sau đó được thu từ các loài vi khuẩn gây bệnh cho thực vật, chúng được chuyển cho các loài côn trùng ăn cỏ. Những chiến lược thích ứng bao giờ cũng bao gồm cả rủi ro và mặt trái của nó”, theo Roy Krisch. 

Tuy nhiên, có những loài bọ cánh cứng chứa vi khuẩn cộng sinh có thể tạo enzyme pectinase cho vật chủ của mình. Các thí nghiệm “Knockin”, một gen pectinase được chuyển vào bọ cánh cứng bằng kỹ thuật CRISPR-Cas9 đã được lên kế hoạch cho thấy những đặc tính của loài bọ mới chuyển gen này không chỉ ảnh hưởng đến tương tác giữa côn trùng và thực vật mà còn ảnh hưởng đến những tương tác giữa côn trùng với các loài vi sinh vật ký sinh. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào các enzyme phân hủy những thành phần khác của thành tế bào. Công trình nghiên cứu của Roy Krisch, Yannick Pauchet và nhóm nghiên cứu cho thấy việc côn trùng sống sót trên thực vật ký chủ, không chỉ phải thích nghi với các biện pháp phòng vệ của ký chủ chẳng hạn như độc tố và các chất ức chế thức ăn, mà quan trọng là các chất chuyển hóa thứ cấp khác. Các nhà khoa học đã tập trung vào quá trình chuyển hóa sơ cấp, vốn đã bị bỏ quên trong các nghiên cứu những tương tác giữa thực vật và côn trùng cho đến nay. Khả năng tiêu hóa các chất chuyển hóa thứ cấp cũng quan trọng như quá trình tiến hóa thành công của các loài côn trùng ăn cỏ”,  Roy Krisch nói. 

Theo Viện Max Planck