Phát hiện cơ chế hình thành tơ nhện

(KhoaHoc.com.vn) - Tơ nhện là một loại đấu vật liệu chừng rất đặc biệt, nó có trọng lượng nhẹ và độ co giãn cao nhưng mạnh hơn cả thép. Tuy nhiên, thách thức mà những chú nhện phải đối mặt để sinh sản ra chất này còn kinh khủng hơn.

Cácprotein tơ nhện, được gọi là cácspidroin, phải chuyển đổi tự một dạng lỏng sang sợi rắn ở nhiệt độ môi trường bao quanh, cùng với nước là dung môi, và ở tốc độ rất cao Sinh vật học . Làm thế nào mà những chú nhện thực hành được điều động đáng kinh ngạc này?

Trong một nghiên cứu mới được trình bày trên thâm nhập mở của tạp chí PLOS Biology ngày 5/8/2014, Anna Rising và Jan Johansson đã cho thấy quá trình hình thành tơ được diễn ra như thế nào. Nghiên cứu này được thực ngày nay trường học Đại học Khoa học Nông nghiệp Thụy Điển (Swedish University of Agricultural Sciences (SLU)) và Viện nghiên cứu Karolinska trong sự kết hợp với các cộng sự tại Latvia, Trung Quốc và Mỹ.

Các spidroinlà các protein lớn có tới 3.500 các amino acid chứa cốt tử các trình tự lặp đi lặp lại, nhưng cácphần quan yếu nhất cho sự chuyển biến các spidroin thành tơ là ở phần cuối. Những vùng chót này của các protein là độc nhất vô nhị với tơ nhện và rất giống nhau giữa các loài nhện khác nhau.

Các spidroin có một cấu trúc xoắn xuýt và không có trật tự khi được lưu trữ như là các protein hòa tan trong các tuyến tơ, nhưng khi chuyển thành tơ, cấu trúc của chúng đổi thay hoàn toàn thành một cấu trúc có độ ổn định cơ học cao. Những đổi thay này được kích hoạt vì chưng một chênh lệch tính axit (pH) (acidity gradient) xảy ra giữa một đuôi của tuyến tơ nhện và đuôi tuyến tơ khác.

Tuyến tơ xuất phát từ một chót hẹp tới một túi và tới một ống dẫn mỏng manh, và các nhà khoa học biết rằng tơ nhện hình thành tại một vị trí chính xác bên trong ống dẫn. Tuy nhiên, những chi tiết cụ trạng thái hơn về quá trình sản đâm tơ nhện vẫn rất khó hiểu.

Bằng cách dùng các vi điện cực có tính chọn lọc cao để đo độ pH trong các tuyến tơ, các tác giả đã chứng minh pH đã giảm từ pH trung tính là 7,6 thành pH axit 5,7 giữa phần đầu của chót và nửa phần dưới của ống, và gradient pH cao hơn nhiều so với nghĩ suy của các nhà khoa học.

Các vi điện cực cũng cho thấy nồng độ các ion bicacbonat và áp suất của khí CO₂ cũng song song tăng lên dọc theo tuyến tơ. Cùng với nhau, những yếu tố này đã cho thấy gradient pH có trạng thái hình thành thông qua hoạt động của một enzyme có têncarbonic anhydrase, enzyme này chuyển hóa carbonic và nước thành bicacbonat và các ion hydro (và vì đó tạo ra môi trường học có tính axit).

Sử dụng một phương pháp được phát triển bởi các tác giả, các nhà nghiên cứu đã có trạng thái xác định carbonic anhydrase hoạt hóa trọng một phần hẹp hơn của tuyến tơ và xác định rằng carbonic anhydrase thật sự chịu trách nhiệm gây ra gradient pH.

Các tác giả cũng phát hiện thấy pH có tác động đối ngược lên tính ổn định của hai vùng tại phần cuối của các protein spidroin, điều này gây ngạc nhiên rằng những vùng này đã được cho là có các vai trò na ná trong việc hình thành tơ. Trong khi một phần kết thúc (đầu chót N) có xu hướng kết đôi với các phân tử khác tại đầu của ống và trở nên ổn định khi độ axit tăng dọc theo ống, chót cuối khác (đầu chót C) mất ổn định khi tính axit tăng, và trải ra cho tới khi nó hình thành tính chất cấu trúc của tơ ở độ pH là 5,5. Những phát hiện này chứng minh rằng ở đầu của ống cũng là điểm mà hoạt động carbonic anhydrase được tập trung.

Những hiểu biết sâu sắc này dẫn các nhà nghiên cứu đề xuất ra một mô hình “khóa và kích hoạt” mới đối với sự hình thành các tơ nhện, trong đó dần dần hình thành các cặp đôi của các chót đầu N khóa các spidroin thành một màng lưới của các phân tử protein, trong khi các thay đổi về cấu trúc trong chót đầu C có thể kích hoạt các làm phản ứng trùng hợp các spidroin thành các sợi “amyloid” (tinh bột) được tìm thấy trong não của những người bị bệnh như bệnh Alzheimer.

Cơ chế này giúp dẫn giải thích vì sao các tơ nhện mảnh khảnh có thể hình thành một cách nhanh chóng và thuận tiện trong ống tạo tơ của loài đâm đánh vật kì diệu này. Bên cạnh việc con người có trạng thái bắt chước nhện để sản xuất ra các sợi spidroin phỏng sinh học cho trang mục đích của chúng ta, nghiên cứu này cũng giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà những sợi tinh bột bị ngăn cản một cách tự nhiên liên quan đến các bệnh như mất trí nhớ ở con người.

Nguồn (Tổng hợp internet)









Xem Thêm :

• Đèn pha LED tạo điểm nhấn cho Mercedes-Benz S-Class mới