Chúng ta có thể học được gì từ Vi khuẩn về việc chống nhiễm độc Atrazine

Atrazine, một loại thuốc diệt cỏ gây tranh cãi được đưa vào sử dụng trong nông nghiệp từ những năm 1950, và đã bị cấm sử dụng ở Liên minh châu Âu tuy nhiên còn được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ và Úc. Qua nhiều thập kỷ đã và đang được sử dụng, atrazine đã tích lũy trong các cánh đồng nông nghiệp, một số loài vi khuẩn trong những cánh đồng này đã tiến hóa khả năng tận dụng lợi thế của hợp chất giàu nitơ này, chuyển hóa và sử dụng nó để phát triển.

Các nhà nghiên cứu thuộc Tổ chức nghiên cứu khoa học và công nghiệp của Úc (viết tắt là CSIRO) quan tâm đến việc khai thác khả năng phân hủy atrazine của vi khuẩn để khắc phục ô nhiễm môi trường do atrazine. Trong một bài nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Journal of Biological Chemistry, một nhóm từ CSIRO và Đại học Quốc gia Úc đã mô tả các protein chưa được biết đến trước đây liên quan đến sự phân hủy atrazine - và những hiểu biết này có thể cho chúng ta biết cách vi khuẩn tiến hóa các khả năng mới để đáp ứng với các hóa chất tổng hợp của con người. “Vi khuẩn có khả năng tiến hóa rất tốt để có thể khai thác các nguồn dinh dưỡng mới, và chúng thực hiện điều này bằng cách điều chỉnh bộ máy tế bào cho phù hợp với các chức năng mới”, TS. Colin Scott, trưởng nhóm nghiên cứu Sinh học xúc tác và tổng hợp sinh học tại CSIRO, người giám sát công trình nghiên cứu nhận xét.

Sự chuyển biến atrazine thành một nguồn nitơ có thể sử dụng được là một quá trình gồm nhiều bước đối với vi khuẩn, liên quan đến nhiều loại enzyme. Mỗi loại enzyme này tham gia các chức năng khác nhau trong tế bào vi khuẩn trước khi ô nhiễm atrazine lan rộng trên thế giới. Trong các loài vi khuẩn có khả năng phân hủy atrazine, các gen mã hóa các enzyme này tập hợp lại trên một đoạn của DNA, còn gọi là plasmid (DNA vòng), plasmid có thể dễ dàng được lan truyền giữa các vi khuẩn, giúp cho chúng thu nhận được đặc tính thích nghi mới.

"Trong vòng 10 năm kể từ khi phát hiện lần đầu (vào những năm 1990), các gen có liên quan trong con đường phân hủy atrazine đã được tìm thấy (ở vi khuẩn) trên hầu hết các châu lục, ngoại trừ Nam Cực", TS. Scott cho biết. Nói cách khác, khi việc sử dụng atrazine lan rộng trên toàn cầu, đã tạo cho vi khuẩn khả năng chuyển hóa nó.

Trong khi các enzyme tham gia vào một số bước chuyển hóa đã được mô tả kỹ lưỡng, cấu trúc của một trong số chúng, được gọi là AztE, vẫn chưa được biết. AztE rất quan trọng để chuyển đổi một axit cyanuric - một bước trung gian trong quá trình phân hủy atrazin - thành ammonia.

Lygie Esquirol, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của TS. Scott, đã nỗ lực tinh chế protein AztE. Khi nhóm nghiên cứu phân tích protein này, họ đã phát hiện thấy một điều đáng ngạc nhiên: một lọai protein rất nhỏ khác, sự tồn tại của nó không được dự đoán từ trình tự bộ gen của vi khuẩn, tạo thành một phức hợp với AztE. Loại protein mới này, nhóm nghiên cứu đặt tên là AztG, giữ vai trò để ổn định cấu trúc của AztE.

Cùng với nhau, cấu trúc của AztE và AztG hình thành một phức hợp protein vi khuẩn - phức hợp transamidasome, giúp cho quá trình tạo RNA vận chuyển (tRNA). Vì vậy, có lẽ các protein liên quan đến các chức năng cơ bản của tế bào vi khuẩn đã được trang bị lại cho con đường chuyển hóa atrazine.

"Phức hợp transamidasome đóng vai trò thiết yếu trong quá trình tạo tRNA ở vi khuẩn" TS. Scott nói. "Đáng ngạc nhiên là protein phát hiện trong nghiên cứu của chúng tôi liên quan đến khả năng chuyển hóa thuốc trừ sâu là khá tương đồng với phức hợp protein được sử dụng trong con đường trao đổi chất trung tâm."

Triển vọng của sinh học tổng hợp là con người có thể kết hợp các gen mã hóa các chức năng khác nhau trong một sinh vật theo những cách sáng tạo. Tuy nhiên, mặc dù chèn các gen vào các trình tự mới là tương đối đơn giản, không phải lúc nào cũng đảm bảo con đường mới được xây dựng sẽ hoạt động như dự định. Do đó, rất có giá trị tham khảo khi khảo sát các con đường như con đường làm phân hủy atrazine, trong đó vi khuẩn đã thay đổi thành công một loạt các gen không liên quan để thực hiện một chức năng mới.

"Con đường chuyển hóa này xuất phát từ những nơi khác và được liên kết với nhau, tuy nhiên phải có một số quy tắc ngầm và những ràng buộc về cách làm điều đó", TS. Scott nói. "Tại thời điểm này, chúng tôi không biết chính xác về các quy tắc thiết kế trong các con đường phức tạp về cấu ​​trúc di truyền của của các gen. Những gì chúng tôi muốn làm là sử dụng con đường axit cyanuric như một mô hình để hiểu nguyên lý thiết kế đó."

Các vi khuẩn phân hủy atrazine chuyển hóa atrazine thành các hợp chất nitơ mà thực vật có khả năng sử dụng làm phân bón, nhưng điều này đặt ra một số vấn đề khác: Nitơ chảy vào nước gây hiện tượng tảo nở hoa và động vật chết. Vì vậy, một trong những vấn đề chính mà các nhà nghiên cứu CSIRO đang cố gắng giải quyết là làm thế nào để kiểm soát phản ứng để nó chỉ xảy ra ở những nơi và theo cách mà con người cần. Một cách tiếp cận là sử dụng các ứng dụng được nhằm mục tiêu tinh chế các enzyme từ những vi khuẩn này, chứ không phải là vi khuẩn.

"Như một công nghệ, chúng tôi đã triển khai và chứng minh rằng các enzyme phân hủy atrazine có thể hoạt động", TS. Scott nói: "Bước tiếp theo là làm việc với ngành công nghiệp để cố gắng triển khai thực hiện một số giải pháp này."

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180517163322.htm