Phát hiện mới về enzyme có thể tái định hình ngành hóa sinh
Các nhà nghiên cứu tại Stanford đã làm sáng tỏ cách enzyme có thể đẩy nhanh các phản ứng hóa sinh một cách đáng kể.
Sử dụng hơn 1.000 ảnh chụp tia X ghi lại quá trình biến đổi hình dạng của enzyme khi hoạt động, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã làm sáng tỏ một trong những bí ẩn lớn của sự sống – cách enzyme có thể đẩy nhanh các phản ứng hóa sinh lên tới hàng triệu tỷ lần.
Giáo sư Dan Herschlag, tác giả chính của nghiên cứu đăng trên tạp chí Science và là giảng viên hóa sinh tại Trường Y khoa Stanford cho biết, có nhiều ý tưởng và lý thuyết về cách enzyme hoạt động nhưng các nhà hóa sinh vẫn chưa thể xác định chính xác các tương tác hóa học và vật lý nào giúp enzyme đạt được tốc độ phản ứng cực nhanh như vậy. Kết quả là, họ không thể dự đoán được tốc độ của enzyme hoặc thiết kế ra những enzyme mới hiệu quả như tự nhiên.
“Bằng cách sử dụng các tập hợp chi tiết về trạng thái của enzyme, chúng tôi đã có thể định lượng và giải thích một cách chặt chẽ ở cấp độ hóa học những đặc điểm nào của enzyme góp phần vào quá trình xúc tác và mức độ ảnh hưởng của chúng,” Siyuan Du, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Herschlag, cho biết.
Du và Herschlag phát triển nghiên cứu dựa trên quan điểm phổ biến trong giới sinh lý học rằng enzyme không phải là một cấu trúc đơn lẻ mà là “tập hợp” (ensembles), mô tả cách enzyme biến đổi giữa các trạng thái vật lý khác nhau trong quá trình xúc tác.
Theo Herschlag, tất cả các mô hình hiện tại đều giả định rằng enzyme giúp tăng tốc phản ứng bằng cách định vị các hóa chất và nhóm hóa chất theo một cách nào đó. Tuy nhiên, từ trước đến nay, giới khoa học vẫn tranh cãi về mức độ quan trọng của việc định vị này, vì chưa có cách nào đo lường nó chính xác – cho đến khi phương pháp “tập hợp trạng thái” này ra đời.
Du bổ sung rằng, enzyme không phải là một cấu trúc tĩnh mà luôn chuyển động, tồn tại dưới nhiều trạng thái khác nhau. Tốc độ của phản ứng hóa học không chỉ phụ thuộc vào một trạng thái cố định mà được quyết định bởi xác suất xảy ra của các trạng thái khác nhau trong tập hợp này.
Để nghiên cứu, nhóm tác giả đã chọn một họ enzyme phổ biến gọi là serine protease. Họ so sánh các tập hợp trạng thái của enzyme khi phản ứng và khi không có phản ứng xúc tác (tức đặt trong nước tinh khiết). Bằng cách xem xét từng yếu tố năng lượng riêng lẻ tại vị trí hoạt động—nơi enzyme gặp phân tử mục tiêu trong phản ứng, họ có thể hiểu được cách chúng hoạt động về mặt hóa học và vật lý để tăng tốc độ phản ứng.
Du đưa ra một ví dụ về cách enzyme thúc đẩy phản ứng: tại vị trí hoạt động, một nguyên tử oxy của enzyme tiến sát vào một nguyên tử carbon trên phân tử mục tiêu mà nó đang tấn công. Cô so sánh quá trình này với việc nén lò xo, có một chút lực căng ép các nguyên tử lại với nhau, và khi phản ứng xảy ra, năng lượng bị dồn nén đó sẽ được giải phóng, giúp đẩy nhanh tốc độ phản ứng.
“Tự nhiên đã phát triển các cơ thế này một cách độc lập trong vô số họ enzyme, đây không phải là một đặc điểm đơn lẻ mà là các cơ chế xúc tác đã được tự nhiên phát hiện nhiều lần thông qua quá trình tiến hóa. Điều này nghĩa là chúng ta có thể sao chép tự nhiên và sử dụng các đặc điểm khác để thiết kế và xây dựng các enzyme mới”, Du nói.
Về những gì sẽ tới, Herschlag và Du đều cho rằng, khả năng giải thích các năng lực vượt trội của các chất sinh hóa quan trọng đó bằng những thuật ngữ hóa học đơn giản có thể cách mạng hóa cách dạy môn hóa sinh và có thể gia tốc thứ khoa học mới trong vô số lĩnh vực quan trọng. Herschlag nói, “Chúng ta cần hiểu các enzyme sâu sắc hơn trước khi chúng ta có thể chờ đợi đến một thứ sức mạnh điều khiển chúng và chỉnh sửa để tạo ra những enzyme tốt hơn”.
Trang Linh lược dịch từ
