Enzyme cổ đại cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa của quá trình quang hợp

Rubisco

 

Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một dạng enzyme cổ đại có thể là một mắt xích còn thiếu trong quá trình tiến hóa của protein. Enzyme đó được gọi là rubisco có chứa đồng (Cu) và tham gia vào các bước ban đầu của quá trình cố định carbon hay đồng hóa carbon. 

 

                             

Phát hiện này là một nghiên cứu mới của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, UC Davis và UC Berkeley đã được công bố trên tạp chí Nature Plants mô tả việc phát hiện ra rubisco dạng I. Nguồn gốc của enzyme cổ đại này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về các sinh vật quang hợp trong chuỗi thức ăn thực vật.

 

Doug Banda từ phòng thí nghiệm Berkeley giải thích rằng rubisco là một trong những enzyme cố định carbon lâu đời nhất trên Trái đất. Nó là “cỗ máy chính để sản xuất thực phẩm” bằng cách lấy carbon dioxide từ khí quyển và chuyển hóa nó thành đường cho các sinh vật quang hợp như thực vật, vi khuẩn lam và tảo.

 

 

Dạng I của Rubisco cổ đại

 

Rubisco dạng I có nguồn gốc từ hơn hai tỷ năm trước trong Sự kiện Thảm họa Oxy (Great Oxygenation Event). Vào thời điểm đó, oxy tự do dư thừa tích tụ trong khí quyển do vi khuẩn lam tạo ra nó thông qua quá trình quang hợp. Kết quả là, vi khuẩn kỵ khí đã chết và dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt đầu tiên trên thế giới.

 

Quay trở lại dòng thời gian, nguồn gốc của rubisco dạng I ở thời điểm trước khi vi khuẩn lam tiến hóa. Dạng cổ xưa của enzyme cũng rất quan trọng trong dòng thời gian của sự tiến hóa của sự sống. Và việc nghiên cứu rubisco cũng có thể giúp phát triển nhiên liệu sinh học và tìm nguồn cung ứng năng lượng tái tạo mới trong tương lai.

 

 

Rubisco dạng I được phát hiện sau khi phân tích các mẫu nước ngầm khác nhau. Giải trình tự di truyền của vi sinh vật chưa được nuôi cấy cho thấy biểu hiện dạng cổ xưa của enzyme khi các nhà khoa học sử dụng vi khuẩn E.coli. Sau đó, dạng I được so sánh với các dạng khác của rubisco. Các nhà sinh học cấu trúc từ Phòng thí nghiệm Berkeley đã tạo ra mô hình 3D của enzyme.

 

Sử dụng một phương pháp gọi là tinh thể học tia X, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hình ảnh của phân tử với độ phân giải cấp nguyên tử. Mô hình cũng cho thấy những thay đổi cấu trúc của rubisco dạng I. Một phương pháp khác được gọi là tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) đã được áp dụng để quan sát enzyme trong môi trường gần như tự nhiên.

 

Cố định cacbon và quang hợp

 

 

Không giống như các dạng rubisco khác, dạng I chứa các protein tiểu đơn vị cho phép truyền thông tin trong quá trình tổng hợp protein khi nó kết hợp với một tiểu đơn vị lớn hơn. Patrick Shih từ UC Davis nói rằng dạng I có thể cho thấy rubisco trông như thế nào và quá trình cố định carbon xảy ra như thế nào trước sự gia tăng khí oxy bởi vi khuẩn lam từ hàng tỷ năm trước.

 

Rubisco chứa nhiều vùng protein được liên kết với các phân tử khác trong quá trình quang hợp. Michal Hammel từ Phòng thí nghiệm Berkeley giải thích: “Trong quá trình này, phân tử trải qua các sự sắp xếp khác nhau trong nhiều vùng protein. Sự kết hợp 2 kỹ thuật trên cho thấy hành vi tự nhiên của rubisco trong các điều kiện sinh lý, thế giới thực”.

 

Douglas Banda chia sẻ: “Dạng rubisco bị thiếu các tiểu đơn vị nhỏ so với các dạng khác dẫn đến câu hỏi về sự tiến hóa của sự sống, chẳng hạn như chức năng của enzyme”. Về kết luận, các tác giả viết rằng nghiên cứu của họ cung cấp “cái nhìn sâu sắc về quá trình chuyển đổi tiến hóa quan trọng của loại enzyme phong phú nhất trên Trái đất và là khởi nguồn chủ yếu của gần như toàn bộ carbon hữu cơ trên toàn cầu.”

 

Jose Pereira chia sẻ rằng sự hợp tác của nhóm trong hơn một thập kỷ đã giúp hiểu được các vấn đề quan trọng trong sinh học. Sự hợp tác cho phép họ chia sẻ các kỹ thuật cấu trúc sinh học khác nhau để hiểu thêm về sự tiến hóa của sự sống.

 

Nguồn: Sciencetimes.com

 

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch

 

Tìm hiểu thêm về thiết bị tán xạ tia X góc nhỏ cho ứng dụng trên tại đây!

Bài viết liên quan:

• Nghiên cứu các mẫu sinh học phức tạp với thí nghiệm SEC-SAXS
• Điều tra kỹ lưỡng các oligome trong quá trình kết thành các sợi protein nhỏ
• Độ phân giải cấu trúc protein
• Xác định hình dạng 3D vỏ bao protein với lượng mẫu lớn
• Các phép đo protein trong dung dịch pha loãng bằng SAXS
• SAXS là một công cụ để mô tả các tương tác protein kháng nguyên – kháng thể đơn dòng
• Lựa chọn, phân tích đặc tính sinh-lý và cấu trúc kháng thể nano tổng hợp giúp vô hiệu hoá hiệu quả vi rút Sars-coV-2
• Tia X có thể giúp test nhanh COVID-19 tin cậy và nhanh chóng hơn trở thành hiện thực như thế nào
• Sách trắng – Ứng dụng kỹ thuật Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) để nghiên cứu, phát triển và bào chế thuốc
• …