Bí ẩn về cơ chế vận chuyển electron trong sinh vật sống
Ferredoxin là một loại protein nhỏ chứa các cụm sắt-lưu huỳnh, đóng vai trò "chất mang electron" trong nhiều phản ứng sinh học thiết yếu như hô hấp và quang hợp. Dù được cho là hiện diện ở hầu hết các sinh vật sống, nhưng trên thực tế, cơ chế ổn định của ferredoxin trong việc truyền electron vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải.
Trong sinh học, các phản ứng oxy hóa khử, nơi electron được chuyển giao, là nền tảng cho việc sản xuất năng lượng. Các protein như ferredoxin, với khả năng vận chuyển electron, đảm bảo rằng các phản ứng này diễn ra hiệu quả. Tuy nhiên, cách các protein này điều chỉnh sự truyền electron đã thách thức giới khoa học trong nhiều thập kỷ.
Đột phá từ cấu trúc 3D cấp nguyên tử
Sử dụng công nghệ tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Vật liệu và Khoa học Đời sống (MLF) thuộc Trung tâm Nghiên cứu Máy gia tốc Proton (J-PARC), các nhà nghiên cứu đã xác định được cấu trúc ba chiều chính xác của ferredoxin, bao gồm cả nguyên tử hydro, điều rất hiếm gặp trong nghiên cứu sinh học cấu trúc.
Theo dữ liệu từ Cơ sở dữ liệu Protein (PDB), chưa đến 0,2% các cấu trúc protein đã xác định được bao gồm thông tin chi tiết về nguyên tử hydro. Điều này càng nhấn mạnh giá trị của nghiên cứu mới khi sử dụng chùm tia neutron để làm rõ cấu trúc protein ở cấp độ chưa từng có.
Công tắc nano và sự kiểm soát electron
Phát hiện quan trọng nhất trong nghiên cứu này là việc nhận diện vai trò của axit aspartic 64 – một chuỗi axit amin nằm xa cụm sắt-lưu huỳnh nhưng lại có ảnh hưởng mạnh mẽ đến xác suất truyền electron. Axit aspartic 64 hoạt động như một "công tắc nano", điều chỉnh cách cụm sắt-lưu huỳnh hoạt động và kiểm soát tốc độ chuyển electron.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện rằng sự hiện diện hoặc vắng mặt của các nguyên tử hydro trên chuỗi bên của axit amin có thể làm thay đổi đáng kể tiềm năng của các cụm sắt-lưu huỳnh, mở ra cơ chế điều chỉnh điện tử ở cấp độ nano.
Ứng dụng tiềm năng trong cảm biến và y học
Những hiểu biết từ nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ cách các protein như ferredoxin hỗ trợ phản ứng sinh học mà còn mở ra cánh cửa cho các ứng dụng công nghệ. Các cảm biến oxy và oxit nitric siêu nhạy – vốn cần thiết trong y học và công nghiệp – có thể được phát triển dựa trên cơ chế này.
Ngoài ra, việc kiểm soát chính xác quá trình truyền electron còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các loại thuốc mới, tập trung vào các vấn đề liên quan đến oxy hóa và các phản ứng hóa học trong cơ thể.
Nghiên cứu về công tắc nano trong ferredoxin không chỉ là một bước tiến lớn trong sinh học cấu trúc mà còn tạo ra những triển vọng đột phá cho cảm biến và y học. Đây là minh chứng cho thấy sự kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và tư duy lý thuyết có thể mở ra những hiểu biết mới, mang lại giá trị thực tiễn cho cuộc sống con người.
Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí eLife.
Lấy link