Khi cây trồng sản xuất protein “thịt”: Tiềm năng và thách thức của myoglobin trong rau

Ý tưởng biến cây thành nguồn cung cấp thành phần đặc trưng của thịt nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng một nhóm khoa học tại Imperial College London vừa chứng minh điều đó có thể thực hiện được trên thực tế. Họ đưa gen tạo myoglobin từ heo vào bộ gen lục lạp của một số loài cây, và thu được protein này ở mức độ đáng chú ý — mở ra một hướng tiếp cận mới trong nỗ lực sản xuất thực phẩm giàu chất đạm và hương vị thịt từ thực vật.

Vì sao myoglobin lại quan trọng với “mùi vị” thịt?

Myoglobin là protein chứa heme chịu trách nhiệm chính cho màu đỏ của thịt và góp phần tạo hương vị đặc trưng khi nấu hay nướng. Ngoài vai trò trực quan, thành phần sắt heme trong myoglobin có tính khả dụng sinh học cao hơn so với sắt dạng phi heme vốn có trong thực vật, và chính nhóm heme còn góp phần vào vị “umami” và chút kim loại nhẹ trong trải nghiệm ăn thịt. Do đó, nếu thực vật có thể tạo ra myoglobin, chúng sẽ mang lại cả yếu tố dinh dưỡng và cảm quan mà các nguồn thực vật truyền thống chưa thể mô phỏng đầy đủ.

Ý tưởng kỹ thuật: đưa gen myoglobin vào lục lạp

Nhóm nghiên cứu chọn hướng cấy gen myoglobin của heo vào bộ gen của lục lạp ở cây, thay vì đưa vào nhân tế bào. Lý do là lục lạp là nơi diễn ra các con đường sinh tổng hợp tetrapyrrole — cùng họ với chuỗi phản ứng dẫn tới heme — nên môi trường bên trong lục lạp phù hợp hơn để kết hợp protein mục tiêu và nhóm heme. Kỹ thuật họ dùng gồm phương pháp bắn hạt (gene gun) đưa DNA gắn lên hạt vàng vào tế bào lá, rồi sàng lọc để thu được cây chuyển gen ổn định.

Kết quả sinh học: mức sản xuất và hiệu suất liên kết heme

Kết quả thực nghiệm cho thấy myoglobin có thể tích tụ ở mức tương đối cao so với các nỗ lực trước đó trên thực vật bậc cao. Cụ thể, ở cây thuốc lá lượng myoglobin chiếm khoảng 2,7% tổng protein hòa tan, còn ở xà lách là khoảng 1,5%. Nếu tính theo trọng lượng khô, sản lượng thu được vào tầm 800 800 800 mg/kg cho thuốc lá và 810±60 mg/kg cho xà lách.

So với những nỗ lực biểu hiện gen trong nhân tế bào hoặc trên vi tảo, mức myoglobin biểu hiện trong lục lạp cao hơn rõ rệt; nhóm nghiên cứu ghi nhận nó lớn gấp ít nhất ba lần so với biểu hiện nhân truyền thống, và vượt xa mức dưới 0,25% từng báo cáo ở vi tảo Chlamydomonas reinhardtii.

Hạn chế then chốt: tỷ lệ liên kết heme

Một điểm quan trọng được làm rõ trong công trình là không phải tất cả myoglobin tạo ra đều “hoạt động” vì cần phải liên kết với heme. Ở cây thuốc lá, chỉ khoảng 35% myoglobin thu được có liên kết heme đầy đủ, trong khi sản xuất bằng vi khuẩn E. coli từng đạt khoảng 80% hiệu suất liên kết này. Dù việc biểu hiện myoglobin ở lục lạp còn thúc đẩy lá cây tăng tổng lượng heme lên gấp đôi, nguồn cung heme vẫn bị giới hạn — một phần do sự cạnh tranh của con đường tổng hợp diệp lục.

Để khắc phục, bài báo đề xuất một số chiến lược kỹ thuật: tăng biểu hiện enzyme ferrochelatase 1 (FC1) — loại enzyme giúp gắn ion sắt vào tiền chất heme — hoặc bổ sung tiền chất axit 5-aminolevulinic (ALA). Các biện pháp này nhằm nâng tỷ lệ liên kết heme, từ đó tăng phần myoglobin dạng chứa heme có thể đóng góp chức năng màu và hương vị.

Khả năng ứng dụng thực tế và các rào cản còn lại

Một kết quả tích cực là cây trồng chuyển gen vẫn sinh trưởng bình thường, ra hoa, kết hạt và truyền tính trạng sang thế hệ con — cho thấy biểu hiện myoglobin không phá hủy chức năng sinh học cơ bản của cây. Với xà lách là loài ăn được, điều này đặt ra khả năng đưa trực tiếp sinh khối giàu myoglobin vào sản phẩm thực phẩm mà không cần qua quá trình tinh chế phức tạp.

Tuy nhiên, trước khi công nghệ này tiếp cận thị trường còn nhiều thách thức: cần kiểm định an toàn thực phẩm chặt chẽ, đánh giá nguy cơ oxy hóa do heme, xác minh hương vị và màu sắc trong sản phẩm chế biến, cùng giải quyết bài toán sản lượng và chi phí khi mở rộng quy mô sản xuất. Những rào cản pháp lý và tiêu chuẩn chấp nhận thực phẩm biến đổi gen ở từng khu vực cũng là yếu tố định hình khả năng thương mại hóa.

Ý nghĩa cho ngành thực phẩm thay thế

Nếu được hoàn thiện, lối tiếp cận này có thể bổ sung một cách trực tiếp các đặc tính cảm quan và dinh dưỡng thường chỉ có trong mô cơ động vật, mà không cần dựa vào quá trình nuôi cấy tế bào hay lên men vi sinh như hiện nay. Đối với các nhà sản xuất thực phẩm thực vật muốn tăng độ “thịt” cho sản phẩm, myoglobin thực vật có thể là công cụ mới để cải thiện màu sắc, cảm nhận vị và cung cấp loại sắt dễ hấp thu.

Kết luận: tiến bộ đầy hứa hẹn nhưng chưa hoàn chỉnh

Công trình ở Imperial College London khẳng định khả năng thực vật bậc cao sản xuất myoglobin một cách ổn định khi gen được biểu hiện trong lục lạp, và đạt mức tích tụ cao hơn nhiều so với các phương pháp trước đó. Song, tỷ lệ liên kết heme chưa đạt mức mong muốn và còn tồn tại nhiều bài toán về an toàn, cảm quan và quy mô. Đây là một bước tiến kỹ thuật quan trọng, mở ra hướng nghiên cứu mới cho thịt thay thế — nhưng vẫn cần thêm nhiều công đoạn tối ưu để biến tiềm năng thành sản phẩm có thể tiêu thụ an toàn và rộng rãi.

Câu hỏi thường gặp

Myoglobin là gì và tại sao cần nó trong thực phẩm thực vật? Myoglobin là protein chứa heme làm màu đỏ và góp phần vào hương vị thịt; trong thực phẩm thực vật, nó có thể tăng khả năng hấp thu sắt và cải thiện cảm quan món ăn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng cây nào để thử nghiệm? Nghiên cứu tiến hành trên cây thuốc lá và xà lách; xà lách có lợi thế là loài ăn được, giúp cân nhắc khả năng đưa trực tiếp sinh khối vào thực phẩm.

Hiệu suất sản xuất ở mức nào? Myoglobin đạt khoảng 2,7% tổng protein hòa tan ở cây thuốc lá và 1,5% ở xà lách; tính theo trọng lượng khô lần lượt là khoảng 800±110 mg/kg và 810±60 mg/kg.

Vấn đề lớn nhất hiện nay là gì? Nút thắt chính là chỉ ~35% myoglobin trong cây thuốc lá liên kết được với heme; tỷ lệ này thấp hơn mức khoảng 80% đạt được khi sản xuất bằng E. coli.

Thông tin trong bài dựa trên kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Frontiers in Plant Science và các dữ liệu công bố bởi nhóm nghiên cứu tại Imperial College London; các con số, phương pháp và nhận xét kỹ thuật đều giữ nguyên theo nguồn gốc.

Nếu bạn muốn theo dõi cách hành xử và kiểm soát bản thân trong các buổi gặp mặt có rượu, hãy đọc bài viết về nghệ thuật giữ hình ảnh và tỉnh táo khi giao tiếp xã hội trong bối cảnh bàn nhậu: nghệ thuật giữ tỉnh táo trên bàn nhậu.

Nếu quan tâm đến việc liệu một smartphone gập như Galaxy Z Fold8 có thể thay thế thiết bị đọc sách hay không, tham khảo phân tích chi tiết về trải nghiệm đọc và giới hạn pin màu: đánh giá khả năng đọc sách của Galaxy Z Fold8.

Nếu bạn lo ngại về rượu và muốn biết các dấu hiệu cần can thiệp sớm, bài viết phân tích bốn triệu chứng cảnh báo nghiện rượu sẽ hữu ích: nhận diện 4 triệu chứng nghiện rượu cần biết.