Quan niệm giàu trí tưởng tượng của một nghệ sĩ về ý tưởng về các enzym phát sáng. Ảnh: Ian Haydon / Viện Thiết kế Protein

“Các sinh vật sống là những nhà hóa học đáng chú ý. Thay vì dựa vào các hợp chất độc hại hoặc nhiệt độ cực cao, chúng sử dụng các enzym để phân hủy hoặc tích tụ bất cứ thứ gì chúng cần trong điều kiện nhẹ nhàng. Tác giả cấp cao David Baker, giáo sư hóa sinh tại Trường Y thuộc Đại học Washington và là người nhận Giải thưởng Đột phá năm 2021 về Khoa học Đời sống cho biết, các enzyme mới có thể đưa các hóa chất và nhiên liệu sinh học tái tạo vào tầm tay.

Như đã báo cáo trên tạp chí Nature, một nhóm có trụ sở tại Viện Thiết kế Protein  tại UW Medicine đã nghĩ ra các thuật toán học máy có thể tạo ra các enzym phát sáng gọi là luciferase. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã xác nhận rằng các enzym mới có thể nhận ra các hóa chất cụ thể và phát ra ánh sáng rất hiệu quả. Hai học giả sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Baker đã lãnh đạo dự án này, Andy Hsien-Wei Yeh và Christoffer Norn.

Để tạo ra các enzyme luciferase mới, trước tiên, nhóm nghiên cứu đã chọn các hóa chất gọi là luciferin mà họ muốn các protein hoạt động. Sau đó, họ sử dụng phần mềm để tạo ra hàng nghìn cấu trúc protein có thể phản ứng với các hóa chất đó.

Trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã xác định được một loại enzyme hiệu quả, được đặt tên là Lux Sit (Hãy để ánh sáng chiếu vào). Enzyme thực hiện phản ứng hóa học mong muốn. Việc tinh chỉnh enzyme đã dẫn đến những cải tiến đáng kể về hiệu suất. Một loại enzyme được tối ưu hóa, có tên là Lux Sit-i, đã tạo ra đủ ánh sáng để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Nó được phát hiện là sáng hơn enzyme luciferase tự nhiên được tìm thấy ở pansy biển phát sáng Renilla reniformis.

“Chúng tôi có thể thiết kế các enzym rất hiệu quả ngay từ đầu trên máy tính, thay vì dựa vào các enzym có trong tự nhiên. Bước đột phá này có nghĩa là về nguyên tắc, các enzym tùy chỉnh cho hầu hết mọi phản ứng hóa học đều có thể được thiết kế,” Yeh nói.

Các enzyme mới có thể mang lại lợi ích cho công nghệ sinh học, y học, xử lý môi trường và sản xuất. Ví dụ, trong công nghệ sinh học, enzyme có thể cải thiện quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học, chế biến thực phẩm và sản xuất dược phẩm. Trong y học, enzyme có thể dùng làm công cụ chẩn đoán và điều trị. Thiết kế enzyme có thể cải thiện môi trường bằng cách phá vỡ các chất ô nhiễm hoặc làm sạch các khu vực bị ô nhiễm. Và các enzyme cũng có thể hỗ trợ sản xuất các vật liệu mới như nhựa và chất kết dính có thể phân hủy sinh học.

Nguồn: Đại học Washington