DMCA.com Protection Status

Lần đầu tiên tế bào sống tạo ra được liên kết Si-C  quan tâm

Được đăng bởi: Ẩn danh

Cập nhật lúc 07:47 ngày 28/12/2017

Enzyme của vi khuẩn có thể tạo ra liên kết mà sự tiến hóa không thể làm được.

Một enzyme có thể tổ hợp carbon và silic đã được tìm thấy ở  một loại vi khuẩn sống ở các dòng suối nóng ở Icelan

Nguồn: Arnaldur Halldorsson/Bloomberg via Getty Images

Silic là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ ba sau oxi và hydro, chiếm tới 16,7% tổng số nguyên tử trong vỏ Trái Đất. Mặc dù phổ biến như vậy, nhưng tại sao chúng lại không có mặt trong các phản ứng hóa sinh của cơ thể sống? Đây là một câu hỏi đã tồn tại từ lâu và chưa có câu trả lời.

Ngày nay, các kỹ sư hóa học đã phát hiện ra rằng, các sinh vật sống có thể tạo ra liên kết giữa carbon và silic. Họ tìm thấy một loại enzyme tự nhiên trong một loại vi khuẩn thuộc chủng Escherichia coli sống ở các suối nước nóng có thể hình thành liên kết C-Si, khi các tế bào này “ăn” một loại hợp chất chứa silic. Bằng kỹ thuật cố định enzyme (kỹ thuật enzyme), các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được một chất xúc tác sinh học có thể xúc tác phản ứng hiệu quả hơn bất kỳ loại xúc tác nhân tạo nào.

Phát hiện này có thể giúp các nhà hóa học phát triển một dòng dược phẩm mới về chất xúc tác công nghiệp và có lẽ giải thích được lý do tại sao trong sự tiến hóa gần như không có mặt của silic.

Không có chỗ cho silic

Thiên nhiên đã sử dụng một số kim loại phổ biến trong các phản ứng sinh hóa, đáng chú ý là sắt trong tế bào máu và magie trong chất diệp lục. Nhưng silic (một nguyên tố lưỡng tính) dường như chỉ có trong các hợp chất vô cơ sinh học, chẳng hạn như trong vỏ của các loài tảo cát, tảo đơn bào. Nó không tham gia vào chuỗi carbon hữu cơ.

 “Silic rất phổ biến trên Trái đất, nhưng bị sinh quyển từ chối vì sự tiến hóa kỳ diệu của nó”, Roald Hoffmann, một nhà hóa học được giải Nobel tại đại học Cornell ở Ithaca, New York cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã tìm cách tạo ra liên kết giữa carbon với silic dựa trên một chất xúc tác nhân tạo, và từ đó kiểm tra cách thức hoạt động của một số enzyme chuyển hóa liên kết đó.

Bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu protein, nhà hóa học Frances Arnold tại viện nghiên cứu công nghệ California ở Pasadena cùng các đồng nghiệp đã tìm được vài chục enzyme hứa hẹn. Sau khi sàng lọc, họ cố định những enzyme này từ một loại vi khuẩn extremophile sống trong suối nước nóng ở Iceland, được gọi là Rhodothermus marinus. Họ tổng hợp gen cho protein này và đưa nó vào vi khuẩn E.coli.

Suy đoán của họ hóa ra là đúng: các enzyme có thể xúc tác tạo thành liên kết silic-carbon, nếu như được cho ăn tiền chất chứa silic (Các enzyme thường không làm được điều này, bởi vì vi khuẩn không tự sản sinh ra các hợp chất chứa silic). “Điều này được chú ý đến bởi vì bản chất của tự nhiên có thể chấp nhận loại thức ăn nhân tạo mới này” Arnold nói.

Lợi ích

Tuy nhiên, vi khuẩn E.coli sản xuất các hợp chất silic hữu cơ cũng không thật hiệu quả. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã đưa đột biến vào vùng hoạt động của các enzyme và lựa chọn những thế hệ vi khuẩn hiệu quả nhất. Một vài thế hệ vi khuẩn đã có khả năng cho năng suất cao hơn so với những chất xúc tác nhân tạo khác. Kết quả này được công bố trên tạp chí Science ngày 24 tháng 11 vừa qua.

 “Bài báo của nhóm Arnold đã kết hợp rất tốt giữa hóa học và kỹ thuật tiến hóa có định hướng (directed evolution) để tạo ra enzyme có thể xúc tác liên kết carbon – silic trong những trường hợp cụ thể.” Hoffmann nói “Đây là một công trình tuyệt vời giúp tạo ra một chất hoàn toàn mới”

Arnold đã phát triển kỹ thuật tiến hóa có định hướng này trong những năm của thập niên 1990, đến nay kỹ thuật này đã được ứng dụng trong vô số các ứng dụng, từ trong lĩnh vực cải tiến chất tẩy rửa đến lĩnh vực tổng hợp thuốc chữa bệnh. Cô đã vinh dự được nhận Giải Thưởng Công Nghệ Thiên Niên Kỷ (Milenium Technology Prize) trị giá 1 triệu € (1.1 triệu $) về vai trò tiên phong của cô trong tiến hóa có định hướng (directed evolution).

"Điều này mở ra cơ hội hoàn toàn mới trong việc nghiên cứu dược phẩm, từ đó có thể phát triển nhiều loại thuốc mới”, Yitzhak Apeloig, chuyên gia về hóa học hữu cơ tại Viện Công nghệ Israel ở Haifa, nói.

Những phát hiện này có thể giúp giải quyết những câu hỏi cơ bản về sự tiến hóa ban đầu trên Trái đất,  Arnold nói, và đặc biệt trả lời câu hỏi về việc không sử dụng silic trong quá trình tiến hóa có phải là ngẫu nhiên hay không. "Chúng ta có thể bắt đầu tính toán các chi phí và lợi ích của việc kết hợp silic vào sự sống."

Tài liệu tham khảo:

Davide Castelvecchi, "Living cells bind silicon and carbon for the first time", Nature, November 24, 2016.

Lược dịch Nguyễn Thị Hoài

Biên tập Biomedia Việt Nam