Những enzyme “đa nhiệm” có thể khắc phục những khiếm khuyết về gene

WASHINGTON — Khi vi khuẩn mất những gene mã hóa cho các enzyme cần thiết cho các phản ứng hóa học quan trọng, vi khuẩn không phải lúc nào cũng chết. Trong một số trường hợp, những enzyme khác sẽ đảm nhận thêm các vai trò mới và tụ chung lại chúng có thể hình thành một chuỗi phản ứng thay thế cho phản ứng cũ bị gián đoạn. Đây là nội dung đã được nhà sinh học Shelley Copley trình bày tại Hội nghị lần thứ hai về sự tiến hóa của vi sinh vật trong thực nghiệm của Hội Vi sinh học Mỹ.

Những vi khuẩn có thể thích nghi theo cách này sẽ có nhiều khả năng sống sót khi điều kiện sống thay đổi, và chuyển những đặc tính mới này cho thế hệ sau. Vì vậy, nghiên cứu về các con đường biến đổi sinh hóa này giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế tiến hóa ở mức độ phân tử.

Tiến hành trên nhiều chủng Escherichia coli khác nhau, Copley và cộng sự đã xóa bỏ những gene mã hóa những enzyme cần thiết của chúng. Nhóm nghiên cứu sau đó quan sát các chủng này nhân lên qua nhiều thế hệ để xem chúng vượt qua những cản trở này như thế nào.

Hầu hết các enzyme có độ chuyên biệt cao: Chúng chỉ hoạt động hiệu quả trong việc xúc tác một loại phản ứng nhất định, theo cách một chìa khóa chỉ mở được một ổ khóa. Tuy nhiên, một vài enzyme giống như chìa khóa vạn năng – chúng có thể xúc tác nhiều loại phản ứng mặc dù nó có xu hướng chuyên biệt cho một loại nhất định nào đó. Những enzyme này gọi là enzyme “đa nhiệm” (promiscuous enzymes) có thể thay đổi tính chuyên biệt của chúng khi điều kiện thay đổi.

Nhóm nghiên cứu của Copley thấy rằng những enzyme mới có thể thay thế cho những enzyme bị thiếu. Ví dụ như E. coli bị thiếu enzyme tổng hợp vitamin B6 vẫn có thể tổng hợp được chất này sử dụng một tổ hợp các enzyme khác nhau. Điều bất ngờ là các enzyme đa nhiệm này không trực tiếp xúc tác cùng phản ứng như những enzyme mà chúng thay thế. Thay vào đó, những enzyme thay thế này sẽ kết hợp với nhau trong một chuỗi phản ứng để cho sau cùng thực hiện được chức năng tương tự của những enzyme bị khiếm khuyết.

“Chúng tôi đang thay đổi lộ trình của các con đường chuyển hóa” – Copley, thuộc Đại học Colorado Boulder cho biết.

Nhà sinh học Gavin Sherlock, Đại học Stanford, không thuộc nhóm nghiên cứu cho hay bằng cách biến đổi các gene của vi khuẩn và buộc chúng tồn tại sử dụng một hệ thống hóa học hạn chế, nghiên cứu của Copley cung cấp một cái nhìn chi tiết hơn về cơ chế sinh hóa trong quá trình tiến hóa.

Betul Kacar, nhà sinh tổng hợp tại Đại học Harvard, cho rằng sự đa nhiệm cũng là cửa sổ hé mở về quá khứ, cho chúng ta biết vai trò trước đó của các enzyme trong quá trình tiến hóa. Chức năng mà enzyme chuyển sang thực hiện trong một thời gian ngắn có thể trở thành chức năng chính của nó sau này. Theo bà thì “Việc hiểu được các con đường mới xuất hiện như thế nào, cơ chế nào thúc đẩy sự hình thành các con đường đó là rất cần thiết”.