Enzyme "Dính" được thiết kế với độ chính xác đơn phân tử

Nghiên cứu, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, kiểm tra các tương tác phân tử giữa protein mô-đun liên kết carbohydrate (CBM) và cellulose cơ chất liên kết của nó. Cellulose, một loại polymer sợi thực vật được làm từ đường glucose lặp lại, có thể được sử dụng để sản xuất hàng dệt may, giấy bóng kính, bìa và giấy, ngoài ra còn đóng vai trò là nguyên liệu tái tạo để sản xuất nhiên liệu sinh học và hóa sinh.

Cellulose là hợp chất hữu cơ phong phú nhất trên Trái đất, bị phân hủy tự nhiên bởi các vi sinh vật và do đó đóng vai trò trung tâm trong chu trình carbon toàn cầu. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn còn hiểu biết hạn chế về cách các vi sinh vật như vi khuẩn phân hủy cellulose bằng cách neo đầu tiên hoặc 'dính' vào bề mặt chất nền bằng cách sử dụng protein và enzyme liên kết carbohydrate.

Theo các nhà nghiên cứu của Rutgers, để thiết kế các enzyme và vi khuẩn hiệu quả hơn phân hủy cellulose thành đường để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol, dầu diesel sinh học, dầu diesel xanh hoặc khí sinh học, cần hiểu rõ hơn về cách protein liên kết carbohydrate neo vào chất nền để thiết kế các enzyme tốt hơn với 'độ dính' tối ưu có thể tối đa hóa sự phân hủy cellulose bởi vi khuẩn.

"Sự liên kết của protein và enzyme với carbohydrate phức tạp ở giao diện rắn-lỏng là một hiện tượng sinh học quan trọng cơ bản liên quan đến sự phát triển của thực vật, nhiễm trùng tế bào mầm bệnh và sản xuất nhiên liệu sinh học," Shishir Chundawat, tác giả cao cấp của nghiên cứu và là phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh hóa tại Rutgers cho biết. "Nhưng các quá trình liên kết giữa các mặt như vậy không được hiểu rõ vì thiếu các công cụ phân tích để quan sát các tương tác phân tử tinh tế và ngắn ngủi giữa protein và carbohydrate như cellulose."

Phương pháp này mô tả kỹ thuật phân tích của nhà nghiên cứu để kiểm tra cách protein dính vào bề mặt cellulose với độ chính xác ở cấp độ phân tử, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các cơ chế phức tạp được sử dụng bởi các enzyme vi sinh vật trong quá trình phân hủy cellulose.

Chundawat cho biết bộ công cụ được phát triển tại Rutgers có thể đo lường các tiếp xúc phân tử protein-carbohydrate đơn lẻ và các lực liên quan liên quan đến độ chính xác 1 nghìn tỷ newton. Một newton tương đương với lực tối thiểu thường cần thiết để tháo một con thằn lằn tắc kè neo vào tường hoặc bề mặt.

Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu một loại protein CBM cho phép các tế bào vi khuẩn neo chặt vào bề mặt cellulose như tắc kè và thay đổi 'độ dính' bề mặt protein được thiết kế như được đo bằng cách sử dụng bộ công cụ mới này để tăng cường hoạt động phân hủy cellulose. Những phát hiện từ bộ công cụ này phù hợp với các thí nghiệm và mô phỏng khác được tiến hành để giải thích thêm các quy tắc phân tử cơ bản chịu trách nhiệm cho độ dính protein CBM đối với bề mặt cellulose.

Markus Hackl, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, người đứng đầu sự phát triển của bộ công cụ và là ứng cử viên tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh hóa tại Rutgers cho biết: "Nếu các CBM cụ thể có thể dính vào carbohydrate theo các định hướng cấu trúc cụ thể giúp tăng cường chức năng enzyme, thì các phương pháp truyền thống không thể phân biệt một hướng liên kết cụ thể với định hướng khác cần thiết để tinh chỉnh độ dính protein cho các bề mặt". "Tuy nhiên, phương pháp của chúng tôi có thể thu thập những khác biệt tinh tế về độ dính của protein bằng cách phát hiện và đo tín hiệu từ một tương tác phân tử protein duy nhất với cellulose."

Một bộ công cụ như vậy có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu và tinh chỉnh các tương tác phân tử dính giữa protein và carbohydrate, cuối cùng hỗ trợ phát triển các loại thuốc dựa trên protein nhắm mục tiêu tốt hơn để cải thiện chăm sóc sức khỏe hoặc các enzyme cấp công nghiệp hiệu quả để sản xuất nhiên liệu sinh học chi phí thấp.

Reference: Hackl M, Contrada EV, Ash JE, et al. Acoustic force spectroscopy reveals subtle differences in cellulose unbinding behavior of carbohydrate-binding modules. PNAS. 2022;119(42):e2117467119. doi:10.1073/pnas.2117467119

News