Tại sao cuộc sống không thể diễn ra nếu không có nước?

Một nghiên cứu trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học tuần này đã cung cấp những bằng chứng xác thực nhất về các protein, là những phân tử lớn và phức tạp được gấp theo hình dạng đặc biệt cho phép xảy ra các phản ứng sinh học, tuy nhiên chúng không thể tự gấp. Thay vào đó, việc gấp chúng được hoàn thành nhờ những phân tử nước nhỏ hơn nhiều, bao quanh các protein và đẩy, kéo chúng, làm cho chúng xếp theo một hướng nhất định ở các phân đoạn trong một giây, giống như điểm số của các nghệ sĩ xếp giấy Nhật Bản, họ gấp một tờ giấy khổng lồ với tốc độ cực nhanh.

Dongping Zhong, trưởng nhóm nghiên cứu tại Đại học quốc gia Ohio đã phát hiện ra điều đó và coi nghiên cứu này như một "bước tiến quan trọng" trong việc nhận ra những tương tác giữa nước và protein, đồng thời trả lời câu hỏi trong một nghiên cứu bám sát những động lực của protein trong nhiều thập kỷ.

Zhong cho biết: "Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cách mà nước và các protein tương tác với nhau. Đây là vấn đề cơ bản liên quan đến cấu trúc protein, tính ổn định, tính năng động và cuối cùng là chức năng của nó”. "Hiện nay chúng tôi có bằng chứng xác thực về quy mô thời gian cực nhanh (pico giây, hoặc ngàn tỷ trong một giây) mà nước điều biến những dao động của protein".

Zhong và nhóm của ông đã sử dụng xung laser cực nhanh để chụp những bức ảnh về các phân tử nước chuyển động xung quanh một DNA polymerase, một loại protein giúp sao lại DNA.

Chìa khóa để thấy rõ sự tương tác đó là đặt chính xác các đầu dò quang học trên bề mặt protein. Các nhà nghiên cứu đưa các phân tử của tryptophan axit amin vào trong protein để thăm dò và xác định xem nước di chuyển xung quanh nó như thế nào.

Các phân tử nước thường chảy quanh nhau với tốc độ pico giây, trong khi các protein gấp với tốc độ nano giây - chậm hơn 1.000 lần. Trước đây, nhóm của Zhong đã chứng minh rằng, các phân tử nước dao động chậm lại khi chúng va chạm với một protein. Tuy nhiên, các phân tử nước vẫn di chuyển nhanh hơn 100 lần so với một protein khi chúng kết nối với nó.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu có thể xác định được các phân tử nước va chạm trực tiếp với các "chuỗi nhánh" của protein, những phần trong phân tử protein liên kết với nhau và mở ra cho phép gấp xếp và thực hiện chức năng. Các nhà nghiên cứu cũng đã lưu ý đến thời gian chuyển động trong các phân tử.

Những mô phỏng máy tính tại Trung tâm Siêu máy tính Ohio (OSC) đã giúp các nhà nghiên cứu hình dung những gì đang diễn ra: nơi mà nước đã di chuyển theo một hướng nhất định, các protein đã gấp xếp ở tốc độ nano giây nếu như các phân tử nước chuyển dịch protein thành hình.

Zhong giải thích, nước không thể tùy tiện định hình protein. Protein chỉ có thể gấp và mở ra theo một một số hướng khác nhau tùy thuộc vào các axit amin.

Tóm lại, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra được "hình dạng cuối cùng của một protein phụ thuộc vào hai thứ đó là nước và các axit amin. Hiện nay chúng tôi có thể nói rằng, về quy mô thời gian cực nhanh, những dao động bề mặt protein được điều khiển bởi những dao động của nước. Các phân tử nước hoạt động cùng nhau giống như một mạng lưới lớn để điều chỉnh chuyển động của các protein".

Minh Trang (Theo Science Daily)