Lập bản đồ “đường mòn thiệt hại” cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi nước trong Photosystem II

Các khối cấu trúc ba màu (đỏ, tím, vàng) là ba nhóm amino acid bị phá hủy trong hệ thống Photosystem II được xác định trong nghiên cứu này. Chúng  tập trung vào vị trí  hoạt động ("Mn cluster", thể hiện màu xanh lá cây), và theo dõi ba con đường nối Mn với bề mặt của phức hợp, môi trường  nước của tế bào.

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Washington ở St. Louis đã quan sát các con đường dẫn của ba kênh nước trong một sinh vật quang hợp cổ đại để tìm hiểu các thông tin cho một nghiên cứu thực nghiệm toàn diện đầu tiên về cách các sinh vật sử dụng và điều hoà nước để tạo ra năng lượng.

Quang hợp là sự chuyển đổi hóa học của ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học thông qua một chuỗi vận chuyển điện tử thiết yếu ở gần như toàn bộ sinh vật sống trên hành tinh của chúng ta. Tất cả các loài thực vật hoạt động bằng quang hợp, như tảo và một số loại vi khuẩn. Ông Daniel A. Weisz, nghiên cứu sinh và Michael L. Gross, giáo sư hóa học, đã nghiên cứu  tổ tiên của các sinh vật quang hợp - một chủng vi khuẩn lam - để phát triển bản đồ thực nghiệm đầu tiên của thế giới nước trong sinh vật. Phát hiện này thúc đẩy nghiên cứu quang hợp nhưng cũng thể hiện sự tiến bộ trong nghiên cứu nhiên liệu xanh.

Để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành một dạng năng lượng có thể sử dụng được, các sinh vật quang hợp đòi hỏi nước ở vị trí trung tâm hoạt động của phức hệ protein Photosystem II. Tuy nhiên, các kênh mà thông qua đó nước đến khu vực hoạt động rất khó để đo thực nghiệm. Các loại oxy phản ứng được tạo ra ở khu vực hoạt động và đi ra khỏi vùng trung tâm, theo hướng ngược lại như nước, sẽ để lại một "vết mòn tổn hại" sau khi chúng hoạt động.

“Chúng tôi đã xác định các vị trí bị hỏng trong Photosystem II bằng cách sử dụng phương pháp khối phổ và phát hiện ra rằng chúng để lại một số con đường nằm ở vùng trung tâm của khu vực hoạt động và dẫn đi khắp bề mặt của phức hợp", Weisz, tác giả chính của bài báo đăng trên trong tạp chí Science Advances ngày 17 tháng 11 nói. "Chúng tôi xác định những con đường này đại diện cho các kênh trong phức hợp có thể được sử dụng để cung cấp nước cho khu vực hoạt động”.

"Hệ thống quang hợp II có một cơ chế rất phức tạp, và nó thực sự quan trọng để hiểu quá trình quang hợp và tiến hóa ", Pakrasi, người đã nghiên cứu về vi khuẩn lam trong hơn 25 năm nói. “Có một sự quan tâm đặc biệt đến năng lượng xanh và việc tìm hiểu về cách thức hoạt động của enzyme này một ngày nào đó có thể được sử dụng để tạo ra một hệ thống nhân tạo bắt chước các enzyme thực sự để tạo ra một nguồn lượng năng lượng bền vững”.

Trung tâm hoạt động của Photosystem II là một nhóm phức hợp gồm mangan, canxi và oxy được chôn sâu trong phức hợp, cách xa môi trường nước của tế bào. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã cho rằng vị trí hoạt động, hoặc cụm mangan, phải có một hệ thống kênh và các mô hình lý thuyết được xây dựng để tiên đoán sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên, chuyển động của nước rất khó để mô tả một cách thực nghiệm.

Các nhà nghiên cứu đã đi theo con đường vòng để mô tả các kênh. Các "vết mòn thiệt hại" bao gồm 36 axit amin từ các protein cơ bản được tìm thấy gần cụm mangan bằng phương pháp khối phổ của nhà hóa học Gross. Những loại oxy hoạt tính gây hại này, còn được gọi là các gốc tự do, phát ra và phân tán ra khỏi đám mây hướng tới môi trường nước. Các gốc tự do vượt qua Photosystem II như cơn lốc xoáy, tấn công và phá hủy các thành phần axit amin gần nhất của Photosystem II mà chúng gặp phải dọc theo con đường của chúng.

Vì các gốc tự do và nước có các tính chất tương tự nhau, chẳng hạn như kích cỡ và tính ưa nước, các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra các con đường mòn đi ra khỏi cụm đám mây rất giống với các con đường dẫn nước vào hướng tới khu vực hoạt động.

"Chúng tôi đang trực tiếp quan sát các con đường mà các gốc tự do tạo ra chứ không phải của nước", Weisz nói. "Nhưng với các tính chất tương tự của các gốc tự do đối với nước cũng như kết quả mô hình hóa của máy tính trước đó, chúng tôi tin rằng những con đường tương tự như vậy dẫn nước đi vào bên trong".

Cách tiếp cận như vậy để khám phá các kênh nước được coi là một mô hình chuẩn vì nó dựa trên sự di chuyển của các gốc tự do phản ứng chứ không phải của chính nước.

Người chủ trì, Weisz cho biết, "giống như để lại một vết mòn bánh mì dọc theo một con đường trong rừng. Nếu ai đó có thể tìm thấy mảnh bánh mì, họ có thể quay trở lại con đường đưa ra khỏi rừng".

Các nhà nghiên cứu đã xác định được nhiều amino acid bị hư hỏng do độ chính xác đáng kinh ngạc, tốc độ và độ nhạy của công cụ quang phổ khối Gross. Weisz cho biết: "Với các dụng cụ trước đó chậm hơn và ít nhạy cảm hơn, thật khó xác định được một cách đáng tin cậy các vị trí bị hư hỏng. "Khả năng mạnh mẽ của công cụ cho phép chúng tôi đạt được những kết quả nêu trên".

Vi khuẩn lam là tổ tiên của các lục lạp trong thực vật", Pakrasi nói. "Hệ thống quang hợp II  được bảo tồn trên tất cả các sinh vật quang hợp oxy. Chúng ta biết chắc chắn rằng thiên nhiên đã tạo ra điều này chỉ một lần, sau đó chuyển nó từ vi khuẩn lam sang tảo và thực vật".

Bùi Anh Xuân theo Phys.org