Nghiên cứu động lực học cấu trúc của quang hợp II bằng tia X Femtosecond
Tìm hiểu về cơ chế phân tử là cơ sở cho hiện tượng quang hợp có thể mang lại tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực công nghệ sinh học và năng lượng tái tạo. Hệ thống quang hợp II (PSII), một phức hợp protein đóng vai trò trung tâm trong quá trình này bằng cách xúc tác quá trình oxy hóa khử và tạo ra O2 nhờ ánh sáng mặt trời, đó là quá trình cơ bản trong quá trình quang hợp oxy. Mặc dù đã được nghiên cứu sâu nhưng động lực học cấu trúc của quang hoá 2 (PSII) trong phản ứng tách nước, đặc biệt là ở mức nguyên tử và trong khoảng thời gian ngắn vẫn chưa được khám phá.
Nghiên cứu trước đây đã được thực hiện mang lại hiểu biết có giá trị về những thay đổi cấu trúc xảy ra trong quang hoá II (PSII) trong phản ứng tách nước, tập trung vào khoảng thời gian rất ngắn (xảy ra rất nhanh). Mặc dù thiếu thông tin cấu trúc có độ phân giải cao trong khoảng thời gian ngắn hơn, đặc biệt là trong quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của phức hợp tiến hóa oxy (OEC) gây ra do sự tác động của ánh sáng, điều này rất cần thiết để hiểu về cơ chế oxy hóa nước và quá trình oxy hoá. Để hiểu rõ về vấn đề này, giáo sư Michihiro SUGA và giáo sư Jian-Ren Shen từ Viện Nghiên cứu Khoa học Liên ngành, Trường Cao học Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Đại học OKama ở Nhật Bản đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Nature vào ngày 31 tháng 1 năm 2024.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bơm đầu dò tinh thể học tia X - thăm dò tinh thể học tia X (TR-SFX), một kỹ thuật được biết để ghi lại những thay đổi cấu trúc cực nhanh trong các đại phân tử sinh học với độ chính xác về không gian và thời gian vượt trội. Thông qua điều khiển đã được thiết lập, các vi tinh thể quang hoá 2 (PSII) đã được chuẩn bị tỉ mỉ và chịu sự kích thích bằng một hoặc hai tia laser, sau đó được chiếu sáng bằng các xung tia X Femtosecond được tạo ra bởi máy đo laser điện tử tự do ở bước sóng tia X (XFEL). "Quá trình tạo ra các vi tinh thể trong quang hợp 2 tốn nhiều thời gian, kéo dài gần 5 năm cho đến khi kết quả được tổng hợp và công bố", giáo sư Michihiro SUGA cho biết nỗ lực cố gắng tập trung được đầu tư nghiên cứu vào dự án. Bằng cách cho các tinh thể tiếp xúc với tia laser và ghi lại các mẫu nhiễu xạ tia X ở các thời gian khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi những thay đổi cấu trúc nhỏ trong PSII, từ nano giây đến mili giây sau khi ghi lại thông qua ảnh chụp.
Các phát hiện này cho thấy cấu trúc phức tạp của PSII trong quá trình chuyển đổi quan trọng từ trạng thái S1 sang S2 và S2 sang S3 để hiểu các sự kiện quan trọng như chuyển các electron, giải phóng proton và phân phối nước cơ chất. Sau khi cho các tinh thể tiếp xúc với tia laser, người ta quan sát thấy sự thay đổi cấu trúc nhanh chóng trong dư lượng tyrosine YZ, cho thấy sự xuất hiện của quá trình chuyển electron và proton nhanh. Một phân tử nước gần Glam189 của tiểu đơn vị D1 đã được tìm thấy ngay sau hai lần chụp, sau đó được chuyển đến vị trí có tên O6 gần với O5 như được tìm thấy trước đó, mang lại những hiểu biết có giá trị về nguồn gốc của nguyên tử oxy được kết hợp trong phản ứng tách nước. Cuộc điều tra cũng làm rõ sự chuyển động phối hợp của các phân tử nước trong các bộ điều khiển riêng biệt làm rõ vai trò quan trọng của chúng trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp nước và giải phóng proton. Những quan sát này làm sáng tỏ sự tương tác phức tạp của phức hợp protein và các phân tử nước hình thành nên liên kết của chúng mang lại hiệu quả xúc tác cho chu trình PSII.
“Những phát hiện trong nghiên cứu của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc thiết kế chất xúc tác cho quá trình quang hợp nhân tạo. Bằng cách làm sáng tỏ các cơ chế phân tử làm cơ sở cho quá trình oxy hóa nước trong PSII, nghiên cứu của chúng tôi là cơ sở cho sự phát triển các chất xúc tác tổng hợp có khả năng khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp nhân tạo”, Giáo sư Jian-Ren Shen giải thích khi thảo luận về các ứng dụng thực tế của nghiên cứu này. Với việc hiểu được động lực học cấu trúc của PSII, chúng tôi cũng có thể đưa ra các chiến lược tối ưu hóa quá trình quang hợp tự nhiên ở cây trồng để nâng cao năng suất nông nghiệp và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
Những phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về các quá trình sinh học cơ bản mà còn hứa hẹn to lớn trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu cấp bách liên quan đến bền vững năng lượng và bảo vệ môi trường. Hy vọng có nhiều nghiên cứu hơn mở đường cho cải tiến đổi mới xanh.
Dương Thị Lan Oanh theo Đại học Okama
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét