Enzyme dưới biển sâu hoạt động ra sao ở nhiệt độ gần 100°C?

Ở nhiệt độ trên 90°C, phần lớn protein sẽ nhanh chóng mất cấu trúc cần thiết để hoạt động. Thế nhưng vi sinh vật cổ Methanocaldococcus infernus vẫn có thể biến khí nitơ thành amoniac nhờ một nitrogenase đặc biệt bền nhiệt. Câu trả lời ngắn gọn là enzyme này vừa có cấu trúc ổn định khác thường, vừa mang một tâm kim loại đủ phức tạp để xử lý liên kết rất bền của phân tử nitơ. [1]

Điều đáng chú ý không chỉ là khả năng chịu nóng. Nitrogenase của M. infernus có cấu trúc tương đối đơn giản nhưng kết hợp đặc điểm của ba họ nitrogenase chính. Khi quan sát enzyme ở độ phân giải gần mức nguyên tử, các nhà nghiên cứu còn bắt gặp một trạng thái phản ứng chưa từng được thấy ở nitrogenase chứa molybdenum. Phát hiện này mở ra khả năng các biến thể nitrogenase khác nhau cùng sử dụng một cơ chế nền tảng có nguồn gốc cổ xưa. [1]

Vì sao nitơ dồi dào nhưng khó sử dụng?

Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển, nhưng sự phong phú ấy không đồng nghĩa với khả năng tiếp cận. Trong phân tử N2, hai nguyên tử nitơ được nối bằng một liên kết ba đặc biệt bền. Thực vật và động vật không có bộ máy hóa học để trực tiếp phá liên kết này, nên khí N2 không thể được đưa thẳng vào các phân tử sinh học mà cơ thể cần. [1]

Có thể hình dung N2 như một chiếc hộp chứa nguyên liệu nhưng được khóa rất chặt. Số lượng hộp không phải vấn đề; khó khăn nằm ở việc mở khóa. Một số vi sinh vật giải quyết được bài toán ấy bằng quá trình cố định nitơ: chúng phá liên kết trong N2 và chuyển nitơ thành amoniac, dạng có thể tiếp tục được đưa vào các hợp chất sinh học. [1]

Nitrogenase mở “chiếc khóa” N2 bằng cách nào?

Công cụ trung tâm của quá trình này là nitrogenase. Enzyme không làm việc chỉ bằng chuỗi protein mà còn phụ thuộc vào metallocofactor, tức một phân tử hỗ trợ chứa kim loại nằm trong cấu trúc enzyme. Tâm kim loại này được xem là một trong những cofactor phức tạp nhất đã biết trong sinh học và giữ vai trò thiết yếu đối với phản ứng phá vỡ N2. [1]

Ba nhóm nitrogenase lớn được phân biệt theo kim loại liên quan: dạng chứa molybdenum, dạng dùng vanadium và dạng chỉ dùng sắt. Trong đó, nitrogenase chứa molybdenum được nghiên cứu nhiều nhất và có hiệu suất cao. Tuy vậy, cách chính xác mà các tâm kim loại hỗ trợ phá liên kết ba của N2, cũng như quan hệ tiến hóa giữa ba nhóm, vẫn là những câu hỏi đang được làm rõ. [1]

Điều gì giúp enzyme không tan rã trong sức nóng?

M. infernus sống trong môi trường biển có hoạt động núi lửa, nơi chất lưu từ miệng phun có thể nóng hơn điểm sôi của nước. Trong phòng thí nghiệm, nhóm của Tristan Wagner tại Viện Vi sinh vật biển Max Planck đã khiến vi sinh vật này cố định N2 ở nhiệt độ trên 90°C. Toàn bộ thao tác với nitrogenase phải diễn ra trong điều kiện không có oxy vì oxy có thể làm hỏng vĩnh viễn các tâm kim loại của enzyme. [1]

Khi được tách trực tiếp khỏi vi sinh vật, protein chỉ bắt đầu phân rã ở khoảng 90°C và một phần vẫn còn nguyên vẹn tại 98°C. Hai mốc này mô tả độ bền cấu trúc, không có nghĩa phản ứng đã được chứng minh diễn ra nguyên vẹn ở 98°C. Thí nghiệm cho thấy enzyme tạo amoniac ở nhiệt độ cao và không hoạt động ở nhiệt độ phòng, tức sức nóng là điều kiện hoạt động quen thuộc của nó chứ không chỉ là thử thách phải chịu đựng. [1]

Một protein hoạt động được phải giữ đúng cách gấp cuộn để các thành phần phản ứng nằm ở vị trí thích hợp. Nếu nhiệt làm cấu trúc bung ra, tâm hoạt động cũng mất hình dạng cần thiết. Với nitrogenase của M. infernus, độ ổn định cao giúp bộ khung phân tử duy trì đủ lâu trong môi trường nóng. Chính đặc tính này cũng giúp các nhà nghiên cứu giữ và khảo sát những trạng thái phản ứng vốn khó bắt gặp ở các nitrogenase kém bền hơn. [1]

Trạng thái phân tử bất ngờ cho thấy điều gì?

Nhóm nghiên cứu kết tinh enzyme rồi dùng tia X từ máy gia tốc synchrotron tại Institut de Biologie Structurale ở Grenoble để xác định cấu trúc ở độ phân giải gần mức nguyên tử. Kết quả cho thấy đây là nitrogenase đơn giản nhất trong số các dạng đã được nghiên cứu, nhưng nó đồng thời mang những nét cấu trúc gắn với cả ba họ molybdenum, vanadium và chỉ chứa sắt. [1]

Các phép đo xác nhận tâm kim loại có molybdenum, đồng thời ghi nhận một trạng thái gọi là “turnover”, có thể là trạng thái trung gian trong phản ứng xử lý N2. Trước đó, trạng thái này mới được quan sát ở nitrogenase vanadium và nitrogenase chỉ chứa sắt. Việc nó xuất hiện trong một enzyme molybdenum khiến giả thuyết về cơ chế phản ứng chung giữa các họ trở nên đáng chú ý hơn, dù vai trò chính xác của trạng thái trung gian vẫn cần được làm rõ. [1]

Vì sao enzyme này có thể mang dấu vết cổ xưa?

Nitrogenase của M. infernus vừa có thiết kế tương đối đơn giản, vừa pha trộn đặc điểm của ba nhóm hiện đại. Tổ hợp đó phù hợp với khả năng nó gần với một dạng tổ tiên chung hơn so với nhiều nitrogenase ở vi khuẩn ngày nay. Đây là diễn giải tiến hóa dựa trên cấu trúc và trạng thái phản ứng quan sát được, không phải bằng chứng rằng enzyme hiện tại chính là bản sao nguyên vẹn của nitrogenase đầu tiên. [1]

Nếu ba họ nitrogenase thực sự chia sẻ một bước phản ứng nền tảng, enzyme chịu nhiệt này có thể trở thành mô hình thuận lợi để khảo sát bước chung đó. Độ bền của nó cho phép giữ lại những trạng thái phân tử thoáng qua, còn cấu trúc đơn giản giúp giảm bớt phần phức tạp khi phân tích. Vì vậy, giá trị trước mắt của phát hiện nằm ở một góc nhìn rõ hơn về phản ứng cố định nitơ, thay vì một ứng dụng công nghiệp đã sẵn sàng. [1]

Về lâu dài, hiểu rõ nitrogenase có thể gợi ý những hệ thống sinh học chuyển khí thành amoniac hoặc sản phẩm hữu ích khác. Nhóm nghiên cứu cũng nêu khả năng xa hơn là giúp cây trồng khai thác N2 trực tiếp, qua đó giảm phụ thuộc vào phân bón sản xuất bằng quy trình Haber–Bosch vốn tiêu tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, đó vẫn là hướng triển vọng. Thành quả đã đạt được là chỉ ra cách một cỗ máy phân tử mong manh về nguyên tắc lại vận hành trong điều kiện gần 100°C. [1]