Khoa học tự nhiên

Tìm hiểu cách nhện quay tơ (14/08/2014)

Tơ nhện là vật liệu ấn tượng, có trọng lượng nhẹ và co giãn nhưng lại chắc hơn thép. Tuy nhiên, nhện phải đối mặt với thách thức to lớn mới sản sinh ra được chất tơ này. Các protein từ tơ gọi là spidroin, phải chuyển đổi từ dạng hòa tan sang dạng sợi rắn ở nhiệt độ môi trường xung quanh nhờ có dung môi nước và trong điều kiện tốc độ cao. Làm sao để nhện đạt được kỳ tích đáng kinh ngạc này? Trong nghiên cứu mới xuất bản trên Tạp chí truy cập mở PLoS Biology ngày 5/8/2014, các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học khoa học nông nghiệp Thụy Điển, Viện Karolinska (Thụy Điển) hợp tác với các cộng sự ở Latvia, Trung Quốc và Hoa Kỳ đã chỉ rõ cách thức điều chỉnh quá trình sản xuất tơ của nhện.

Spidroin là các protein lớn gồm 3.500 axit amin, chứa hầu hết các chuỗi lặp, nhưng yếu tố quan trọng nhất đối với việc chuyển đổi spidroin thành tơ là các điểm đầu. Các khu vực này của protein là đặc trưng cho tơ nhện và rất giống nhau giữa các loài nhện. Spidroin có cấu trúc xoắn và được sắp xếp lộn xộn khi lưu giữ các protein hòa tan trong tuyến tơ, nhưng khi chuyển đổi sang tơ, cấu trúc của nó thay đổi hoàn toàn thành cấu trúc ổn định cơ học cao. Những thay đổi này là do gradient độ pH xuất hiện giữa một đầu của tuyến tơ và một đầu khác. Tuyến tơ phát triển từ dạng đuôi dẹt thành túi đến ống mảnh. Và tơ được biết đến hình thành tại một điểm chính xác bên trong ống. Tuy nhiên, khó biết được chi tiết về khả năng sản sinh tơ nhện.

Sử dụng các vi điện cực có tính chọn lọc cao để đo độ pH trong các tuyến tơ, các nhà nghiên cứu đã thấy độ pH giảm từ mức trung tính là 7,6 xuống mức axit là 5,7 trong khoảng thời gian tuyến tơ bắt đầu ở dạng đuôi và một nửa chặng đường chuyển thành dạng ống và gradient pH cao hơn nhiều so với mức mọi người vẫn nghĩ. Các vi điện cực còn cho thấy nồng độ ion bicarbonate và áp suất của khí CO₂ đồng thời tăng dọc tuyến tơ. Tóm lại, các mô hình này chỉ rõ gradient pH có thể hình thành nhờ họat động của enzym carbonic anhydrase, biến đổi CO₂ và nước thành bicarbonate và các ion hydro (và qua đó, tạo ra một môi trường có tính axit). Bằng một phương pháp riêng biệt, các nhà khoa học có thể xác định carbonic anhydrase hoạt tính ở phần hẹp của tuyến tơ và khẳng định carbonic anhydrase thực sự đã tạo nên gradient pH.

Các tác giả nghiên cứu cũng phát hiện thấy độ pH tác động ngược lại đến sự ổn định của 2 khu vực ở mỗi điểm đầu của các protein spidroin, đáng ngạc nhiên vì các khu vực này đều có vai trò như nhau trong việc sản sinh tơ. Trong khi một trong các đầu có xu hướng ghép đôi với các phân tử khác vào lúc tuyến tơ bắt đầu dạng ống và trở nên ổn định hơn khi độ axit tăng lên dọc ống, còn đầu kia mất ổn định khi độ axit tăng và dần dần mở ra cho đến khi nó tạo thành đặc điểm cấu trúc của tơ khi độ pH là 5,5. Những phát hiện này cho thấy, cả hai đầu của protein đều trải qua thay đổi lớn về cấu trúc khi độ pH được phát hiện vào lúc tuyến tơ bắt đầu ở dạng ống, cũng là điểm carbonic anhydrase tập trung họat động.

Nghiên cứu mới không chỉ giúp con người hiểu cách mô phỏng quá trình sản xuất sợi spidroin phỏng sinh học cho các mục đích riêng biệt, mà cả những phương thức tự nhiên cản trở các sợi tinh bột gây ra các căn bệnh như bệnh mất trí nhớ.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Physorg)