“Các nhà thăm dò sinh học” đang nghiên cứu trên những động vật sống về những dấu hiệu của các hợp chất có lợi

Tóm tắt: Các nhà nghiên cứu đã đạt được một số bước tiến quan trọng với “thăm dò sinh học”. Thực tiễn này đã dẫn tới một số khám phá quan trọng trong sinh vật, chẳng hạn như một loại thuốc có thể giúp điều trị ung thư được tìm thấy trong thực vật. Việc tìm kiếm trong tương lai có thể dẫn tới những khám phá chưa được biết đến và sẽ ảnh hưởng lớn đến thế giới của chúng ta.

Triển vọng của thăm dò sinh học

Khi mọi người nghe về thăm dò, họ có thể tưởng tượng ra những ông già 40 tuổi (thợ mỏ) với những cái cuốc mỏ chim để tìm vàng, hoặc có thể là một đại lý cho đội bóng đá San Francisco 49ers đang tìm kiếm tài năng mới. Trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi làm một phiên bản gọi là thăm dò sinh học – tìm kiếm các chất hữu ích từ các nguồn tự nhiên. Việc thăm dò sinh học đã tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị, bao gồm các loại thuốc chống ung thư có nguồn gốc thực vật và các loại tơ cực kỳ bền được dệt bởi những con nhện nhiệt đới .
Công việc của chúng tôi tập trung vào các enzym, đó là các protein tăng tốc độ phản ứng hóa học. Chúng tôi đang tìm kiếm các enzyme mới mạnh hơn có thể phá vỡ polysaccharides – các phân tử phổ biến bao gồm các chuỗi đường dài. Polysaccharides rất dồi dào trong trái cây và rau quả mà chúng ta ăn, quần áo cotton mà chúng ta mặc và gỗ chúng ta đang sử dụng để xây nhà.
Enzyme có thể phá vỡ các polysaccharides có nhiều cách sử dụng – ví dụ như trong các chất tẩy rửa, enzyme làm tan vết bẩn trên quần áo. Các loại enzym tương tự cũng có thể được sử dụng để giải phóng các loại đường được tìm thấy trong thực vật, sau đó chúng có thể được sử dụng để sản xuất nhựa phân huỷ sinh học .
Trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi đang tìm kiếm các enzym mới nhằm cải tiến công nghệ sinh học để làm nhiên liệu và hóa chất có tái tạo được.

Enzym xúc tác các phản ứng hóa học nhưng không bị mất đi sau các phản ứng.
Học hỏi từ các loài vi khuẩn
Thực vật là nút trung tâm của mạng lưới thức ăn mỗi năm sản xuất hàng tỷ tấn polysaccharides. Các loại đường trong thực vật được liên kết với nhau trong chuỗi dài. Chúng bao gồm ba polysaccharides chính : cellulose, xylan và pectin. Các polysaccharides này tạo nên cấu trúc cho cây và giúp bảo vệ cây chống lại sự phá hủy của côn trùng.
Khi cây chết, những polysaccharide thứ yếu này ở trong cây dưới dạng một lường đường lớn trong lá và thân cây. Vi khuẩn và nấm phá vỡ lá cây để lấy chất dinh dưỡng chứa bên trong. Cần có những vi khuẩn đặc trưng để tạo ra các enzyme phân giải polysaccharides thực vật, một quá trình gọi là saccharification. Những vi khuẩn này được gọi là saprophytes, và chúng được tìm thấy ở khắp mọi nơi trong tự nhiên, bao gồm cả trong đất của sân sau nhà bạn.
Tìm hiểu được làm thế nào saprophytes phân giải polysaccharides giúp chúng ta học các nguyên tắc cơ bản của sinh học về quá trình tự nhiên này, chẳng hạn như những gì xảy ra trong phân bón compost và làm thế nào vi khuẩn phân giải polysaccharide trong ruột của bạn. Chúng tôi cũng có thể áp dụng phương thức của chúng để tìm ra giải pháp cho những vấn đề thực tế, chẳng hạn như tạo ra các chất bổ sung dinh dưỡng, chất tẩy rửa và nhiên liệu tốt hơn.

Phát hiện ra enzyme hữu ích

Nhóm nghiên cứu của tôi nghiên cứu cách thức mà vi khuẩn cảm nhận được môi trường và có được năng lượng. Chúng tôi tiến hành nghiên cứu với một loại vi khuẩn saprophytic có tên là Cellvibrio japonicus , chúng có gần 200 enzyme chuyên biệt cho việc phân giải polysaccharides. Bởi vì vi khuẩn này có một kho enzyme lớn như vậy, nên C. japonicus có thể phân hủy hoàn toàn tất cả các polysaccharides được tìm thấy trong sinh khối thực vật.

Bằng kính hiển vi nguyên tử lực, quan sát từng tế bào Cellvibrio japonicus. Các vi khuẩn này tạo ra nhiều enzyme để phân hủy các polysaccharides để sử dụng làm nguồn năng lượng. Cấu trúc giống như roi ở cuối tế bào vi khuẩn (tế bào chùm) giúp chúng di chuyển xung quanh. Jeffrey Gardner, Tác giả đã cung cấp

Chúng tôi dành sự quan tâm đến việc hiểu rõ về cách thức mà vi khuẩn này có thể phát hiện và sau đó ăn các polysaccharide khác nhau một cách hoàn toàn. Ba câu hỏi chính mà chúng tôi muốn trả lời là: (1) Tại sao C. japonicus cần có hàng trăm enzym để phân hủy các polysaccharide? (2) Mỗi ​​enzym hoạt động như thế nào? Và (3) Làm thế nào để vi khuẩn tiếp nhận các thông tin về môi trường và điều chỉnh việc sản xuất các enzyme này?
Để trả lời những câu hỏi này, chúng tôi nghiên cứu sinh lý học của vi khuẩn, di truyền học và hóa sinh. Sinh khối thực vật là một hỗn hợp phức tạp của các polysaccharide khác nhau, vì vậy chúng tôi thường tập trung nghiên cứu bằng cách quan sát từng polysaccharides và các enzym cụ thể phân giải chúng.
Ví dụ, khi chúng tôi phân tích cách C. japonicus phá vỡ xenlulo, chúng tôi thấy rằng sự phân giải của các phân tử nhỏ có thể tan được của cellulose (oligosaccharides) sẽ kiểm soát quá trình sản xuất nhiều enzyme đặc trưng. Chúng tôi cũng phát hiện ra rằng bốn enzyme có vai trò tương tự trong sự phân giải cellulose không thể hoán đổi vai trò cho nhau. Thay vào đó, chúng rất cụ thể, và tế bào sử dụng từng enzyme trong các điều kiện nhất định và cho các polysaccharide cụ thể.
Nhìn chung, chúng tôi thấy rằng đối với sự phân giải của xenluloza, C. japonicus chỉ cần sản xuất một số lượng rất nhỏ enzyme phân giải polysaccharide. Các enzym này có đặc tính duy nhất và có tiềm năng rất hữu ích trong các ứng dụng công nghiệp.

Ứng dụng trong Công nghệ sinh học
Trong khi chúng tôi dành sự quan tâm quan tâm đến những gì vi khuẩn saprophytic đang làm đôi với môi trường, công việc của chúng tôi cũng nhằm mục đích giải quyết một số vấn đề về công nghệ sinh học. Ví dụ, một thách thức lớn trong việc tìm hiểu sự tương tác giữa vi khuẩn và mảnh thực vật là phương pháp đo được tốc độ vi khuẩn phát triển khi chúng phân giải sinh khối thực vật.
Sinh khối thực vật hoàn toàn không hòa tan trong nước, vì vậy khi chúng ta kết hợp vi khuẩn với mảnh thực vật trong bình, nó nhanh chóng trở nên mờ đi trong các mảnh mảnh thực vật. Điều này làm cho chúng ta khó để xác định được sự phát triển của vi khuẩn trong dung dịch.
Sử dụng bình này, chúng tôi đã gói thiết bị lọc với một số lá cây và thân cây và đặt nó vào một môi trường lỏng để tăng sinh. Sau khi thêm một số vi khuẩn vào bình, chúng tôi có thể đánh giá tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn rất nhanh và chính xác bởi vì chúng ta không phải liên tục loại bỏ các mảnh nhỏ của cây đã bị tiêu hóa. Thiết bị lọc giữ lại tất cả các mảnh thực vật. Khi kết thúc thí nghiệm chúng ta có thể dễ dàng phục hồi bất kỳ mảnh cây trồng nào còn sót lại để xác định những gì còn lại sau khi tiêu hóa vi khuẩn. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã sử dụng in 3 chiều để tạo ra một thiết bị lọc rất giống với máy lọc chè mà bạn thường sử dụng tại quán cà phê. Thiết bị này cho phép chúng ta tách riêng mảnh thực vật khỏi vi khuẩn trong dung dịch.

Cành khô và lá của cây ngô trong dung dịch môi trường tăng sinh vi khuẩn. Mảnh thực vật không hòa tan, vì vậy nó lơ lửng trong bình trong suốt quá trình thí nghiệm. Jeffrey Gardner, Tác giả đã cung cấp

NGHIÊN CỨU CƠ BẢN LÀ CHÌA KHÓA ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ THỰC TIỄN
Tôi thường được hỏi lý do tại sao nhóm của tôi dành thời gian nghiên cứu cơ bản thay vì chỉ tập trung vào các ứng dụng để tạo ra các chất tẩy rửa hoặc hóa chất cải tiến hơn, vì nghiên cứu ứng dụng có thể đem lại lợi ích tốt hơn cho con người. Tôi tin rằng các nhà khoa học cần phải rất cẩn trọng trong việc trả lời câu hỏi này bởi vì những lý lẽ và lợi ích của nghiên cứu cơ bản không phải là điều dễ nhận biết ngay lập tức.
Một câu trả lời thỏa đáng là có nhiều khám phá quan trọng, bao gồm nghiên cứu ban đầu về tia X , protein huỳnh quang xanh lá cây và khả năng miễn dịch của vi khuẩn đối với phage đều bắt đầu từ nghiên cứu cơ bản. Theo thời gian, các nghiên cứu cơ bản này đã phát triển thành công nghệ cho phép nhìn thấy hình ảnh xương bị hỏng, nghiên cứu tế bào ung thư và chỉnh sửa bộ gen của nhiều loại sinh vật. Từ những lợi ích thực tiễn đó, nghiên cứu cơ bản rất đáng để đầu tư vào.
Chúng ta đang bắt đầu xác định những lợi ích thực tiễn từ việc nắm rõ sự phân giải polysaccharide. Khi chúng ta tiếp tục triển khai các enzyme mới, tôi hy vọng rằng chúng ta sẽ tìm ra giải pháp cho nhiều thách thức kỹ thuật bằng cách nghiên cứu các cách thức mà vi khuẩn dùng để tiêu hóa thức ăn sau khi chúng đã phân giải xong polysaccharide.

Hoài Thu
Theo The Conversation và Futurism

Facebook Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *