Đột phá từ Trung Quốc: Ứng dụng AI thiết kế thụ thể miễn dịch thực vật tùy chỉnh

Theo tin từ CCTV News ngày 24/7, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Cao Caixia tại Viện Di truyền và Sinh học Phát triển thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đạt được bước đột phá lớn trong lĩnh vực kỹ thuật miễn dịch thực vật, lần đầu tiên đề xuất khái niệm mới về "miễn dịch tổng hợp thực vật có thể lập trình".

Nhóm nghiên cứu đã thiết lập thành công nền tảng thiết kế thụ thể miễn dịch thực vật tổng hợp có thể lập trình, hiện thực hóa việc thiết kế tùy chỉnh chính xác các thụ thể miễn dịch thực vật. Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trực tuyến trên tạp chí *Science* vào rạng sáng nay.

Dịch bệnh thực vật gây ra thiệt hại kinh tế hàng trăm tỷ USD mỗi năm. Việc lai tạo giống cây trồng kháng bệnh truyền thống phụ thuộc nhiều vào việc khai thác và sử dụng các gen kháng bệnh tự nhiên, tuy nhiên số lượng thụ thể miễn dịch được mã hóa trong bộ gen thực vật là có hạn, trong khi các tác nhân gây bệnh liên tục tiến hóa và biến đổi, dẫn đến khả năng kháng bệnh hiện có liên tục bị phá vỡ. Để giải quyết vấn đề nan giải này, nhóm nghiên cứu đã tích hợp các công nghệ thiết kế protein hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo (AI), kỹ thuật thụ thể miễn dịch mô-đun và công nghệ tiến hóa định hướng trong thực vật.

Thụ thể miễn dịch NLR là thành phần cốt lõi của hệ thống miễn dịch thực vật, chủ yếu phát hiện mầm bệnh thông qua các miền lặp lại giàu leucine (leucine-rich repeat) có tính lặp lại cao, vốn rất khó để cải tạo bằng các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu lần này đã tận dụng một loại thụ thể NLR nhận diện mầm bệnh thông qua các miền mồi (bait domain) tích hợp mô-đun nhỏ gọn, miền này có thể được thay thế bằng các mô-đun nhận diện mầm bệnh mới được thiết kế.

Trong quá trình thực hiện cụ thể, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các công cụ protein hỗ trợ bởi AI như AlphaFold 3 và BindCraft để thiết kế protein liên kết từ đầu (de novo) nhắm vào các protein gây bệnh, sau đó tích hợp chúng vào thụ thể miễn dịch Pikm-1 của lúa để tạo thành các thụ thể miễn dịch tổng hợp hoàn toàn mới. Toàn bộ quá trình thiết kế không cần dựa vào nguồn gen kháng bệnh sẵn có mà chỉ cần dựa trên thông tin cấu trúc của protein gây bệnh. Nhóm nghiên cứu đã lấy protein vỏ của virus khảm khoai tây Y (Potato virus Y) làm mục tiêu kiểm chứng, thiết kế 48 thụ thể tổng hợp, trong đó 11 thụ thể có khả năng nhận diện đặc hiệu mục tiêu và kích hoạt phản ứng miễn dịch. Trên cơ sở đó, nhóm đã hoàn thiện thiết kế tương ứng cho protein của 13 loại virus thực vật quan trọng cũng như nhiều loại mầm bệnh khác như vi khuẩn, nấm và nấm giả (oomycetes).

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và thử nghiệm tổng cộng 391 thụ thể miễn dịch thực vật tổng hợp, trong đó 71 thụ thể (tỷ lệ thành công 18,2%) có khả năng nhận diện đặc hiệu protein gây bệnh tương ứng và kích hoạt hiệu quả phản ứng miễn dịch thực vật, lần đầu tiên chứng minh rằng công nghệ thiết kế protein hỗ trợ bởi AI có thể hiện thực hóa việc tạo ra các thụ thể miễn dịch thực vật từ đầu. Đối với một số thiết kế gặp vấn đề về hoạt tính miễn dịch không đủ hoặc tự kích hoạt, nhóm đã sử dụng hệ thống tiến hóa định hướng trong thực vật (GRAPE) được thiết lập trước đó để tối ưu hóa các thụ thể. Các thụ thể miễn dịch tổng hợp sau khi tối ưu hóa đã cho thấy khả năng kháng hiệu quả đối với virus gây bệnh xoăn lá cà chua (Tomato brown rugose fruit virus) trên cây thuốc lá *Nicotiana benthamiana* chuyển gen.

Tác giả liên hệ của bài báo, Giáo sư Cao Caixia, cho biết nghiên cứu này đã vượt qua những hạn chế về nguồn gen kháng bệnh tự nhiên, cung cấp một lộ trình kỹ thuật hoàn toàn mới để ứng phó nhanh chóng với các loại dịch bệnh thực vật mới nổi và sự biến đổi của mầm bệnh.

Bà tiết lộ rằng trong tương lai, cùng với sự tích hợp sâu rộng của các công nghệ như AI, thiết kế protein và tiến hóa định hướng trong cơ thể, các thụ thể miễn dịch tổng hợp thực vật được kỳ vọng sẽ hoàn toàn đạt được khả năng thiết kế theo yêu cầu và tối ưu hóa lặp lại. Các chuyên gia phản biện của tạp chí *Science* đánh giá rằng thành tựu này đã đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển khả năng kháng bệnh bền vững và phổ rộng ở cây trồng.

IT đính kèm địa chỉ bài báo: https://doi.org/10.1126/science.aee1792

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết chuyển hướng bên ngoài trong bài viết (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, tiết kiệm thời gian sàng lọc, kết quả chỉ mang tính chất tham khảo, tất cả các bài viết của IT đều bao gồm tuyên bố này.