Protein có thể chịu nhiệt

 

Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Proceedings của Học Viện Khoa học Quốc gia Mỹ, các protein cổ đại có thể cung cấp đầu mối về cách chế tạo các protein có thể chịu được nhiệt độ cao cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các thí nghiệm để kiểm tra sự khác biệt quan trọng giữa 15 protein từ họ thioredoxin, bao gồm 7 chuỗi protein đã tuyệt chủng tồn tại cách đây hơn 4 tỷ năm và đã được hồi sinh bằng cách sử dụng kỹ thuật tái tạo chuỗi tổ tiên.

George Makhatadze, giáo sư tại Học viện Bách khoa Rensselaer cho biết: "Trong các ứng dụng công nghiệp, các protein có thể làm một số công việc của các hóa chất với ít năng lượng hơn và ít độc hơn, nhưng chúng phải chịu được nhiệt độ cao hơn trong các quy trình công nghiệp. Nghiên cứu này cho thấy có thể sử dụng phương pháp tái tạo tổ tiên để thiết kế các protein phát triển chậm hơn, mang lại ích lợi lớn hơn, ở nhiệt độ cao hơn".

Các thí nghiệm cho thấy sự khác biệt về sự ổn định giữa các protein từ cùng một họ chủ yếu là do sự khác biệt về năng lượng cần thiết để mở ra protein, một phát hiện khẳng định một lý thuyết lâu năm được gọi là "nguyên tắc về sự thất vọng tối thiểu", được đề xuất bởi các nhà vật lí khoảng 30 năm trước đây.

Protein là các chuỗi phân tử, trong đó mỗi liên kết là một trong 20 axit amin. Một khi chuỗi được lắp ráp, thì nhiều lực dọc theo chiều dài của nó tương tác với nhau, làm cho dây xoắn lại và quay, và cuối cùng là gấp thành một hình dạng ba chiều. Protein này chỉ có thể thực hiện chức năng của nó khi được xếp đúng cách. Hầu hết các protein vẫn ở trong tình trạng xếp trong một phạm vi nhiệt độ, pH, hoặc áp lực nhất định, và bị phá vỡ khi phải chịu các điều kiện nằm ngoài các phạm vị này.

Không phải tất cả các quy tắc mà ảnh hưởng đến sự gấp lại của protein đều được biết, và Makhatadze muốn hiểu làm thế nào các protein trong cùng một họ, với cấu trúc tương tự nhau, có thể thực hiện cùng chức năng duy trì cuộc sống trong các môi trường nhiệt độ rất khác nhau. Ví dụ như, thioredoxin có mặt trong tất cả các sinh vật, từ những sinh vật sống gần những lỗ thông khí hydro cực nóng cho đến các vùng nước Bắc cực lạnh giá.

Để phù hợp với nguyên tắc về sự thất vọng tối thiểu, Makhatadze cho biết, các protein với cấu trúc tương tự nhau nhưng có sự ổn định nhiệt động lực khác nhau ắt phải gấp lại theo cùng một kiểu hiệu quả, nhưng những protein có khả năng chịu được nhiệt cao hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để mở ra. Các thí nghiệm, được thực hiện lần đầu tiên  với 8 thioredoxin hiện đại ngày nay, đã chứng minh giả thuyết này chính xác.

Makhatadze cho biết: "Chúng tôi đã kiểm tra tỷ lệ gấp lại giữa các thioredoxin, một họ các protein có chức năng giống nhau, nhưng vì chúng hoạt động trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau – nên ắt phải khác nhau về nhiệt động lực học. Và những gì chúng tôi quan sát thấy là đối với các protein này, chúng thực sự gấp lại với cùng một tỷ lệ, nhưng chúng lại mở ra với một tốc độ khác nhau – chính là những gì chúng tôi dự đoán".

Trong bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các phiên bản tioredoxin đã tuyệt chủng được hồi sinh bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là tái tạo trình tự tổ tiên. Các phiên bản đã tuyệt chủng này mở ra chậm hơn so với các phiên bản hiện đại, trong một số trường hợp chậm hơn gấp 3.000 lần so với một protein hiện đại.

"Ở đây chúng tôi có hai phiên bản của một protein từ cùng một họ và một mở ra trong bảy giây, và một mở ra trong 6 tiếng", Makhatadze cho biết. Điều đó có nghĩa là bạn có thể nhận được chức năng hữu ích từ protein 6 tiếng so với protein 7 giây. Điều này cho thấy việc tái tạo trình tự tổ tiên có thể là một con đường dẫn đến protein ổn định ở nhiệt độ cao.

Phát hiện này phù hợp với các dữ liệu nghiên cứu và dữ liệu địa chất đã được công bố trước đó cho thấy Trái Đất và các đại dương nóng hơn trong quá khứ cổ đại.

"Các nghiên cứu trước đây ủng hộ phát hiện này rằng các protein cổ xưa hơn ổn định hơn, tuy nhiên nghiên cứu mới này cho thấy các protein cổ xưa này ổn định hơn bởi vì chúng mở ra chậm hơn", Makhatadze cho biết.

Thanh Vân - Dostdongnai, theo Eurekalert.