Quản lý chất thải nhựa là một thách thức cấp bách về sinh thái, xã hội và kinh tế, đòi hỏi phải xem xét các chiến lược hóa học-sinh học đa dạng để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học. Trong một báo cáo mới về Science Advances, Mercedes Spinola-Amilibia, một nhóm nghiên cứu về sinh học cấu trúc và hóa học, sinh học phân tử và sinh học vi sinh vật ở Tây Ban Nha đã sử dụng nước bọt của ấu trùng Lepidopteran Galleria mellonella để oxy hóa và khử polyme hóa polyetylen trong vòng vài giờ ở nhiệt độ phòng.

Sử dụng kính hiển vi điện tử cryo (cryo-EM), nhóm nghiên cứu đã phân tích nước bọt của vi sinh vật trực tiếp từ nguồn bản địa. Trên cơ sở tái tạo 3D, họ đã tiết lộ thành phần của chất tiết ở miệng thuộc về bốn hexamerin có thể oxy hóa và phân hủy polyetylen.

Sử dụng dữ liệu cryo-EM và phân tích tia X, họ cho thấy các protein tự lắp ráp thành ba phức hợp phân tử cao với những khác biệt về cấu trúc riêng biệt để điều chỉnh hoạt động của chúng. Kết quả cho thấy khả năng khám phá các chức năng của hexamerin đối với các chức năng công nghệ sinh học in vivo.

Thí nghiệm xác định thành phần protein trong nước bọt-Demetra, Cibeles, Ceres và Cora

Sử dụng phân tích cryo-EM, Spinola-Amilibia và các đồng nghiệp lần đầu tiên tiết lộ tổ chức phân tử và thành phần của các protein chính được tìm thấy trong nước bọt của loài lepidopteran. Dữ liệu quang phổ khối cho thấy nó có chứa hỗn hợp các protein thuộc siêu họ hexamerin/phenoloxidase (PO).

Do khối lượng phân tử cao của các phức hợp được hình thành bởi loại protein này, nhóm nghiên cứu đã trực tiếp phân tích dịch tiết khoang miệng bằng cách sử dụng cryo-EM như bước đầu tiên để khám phá cấu trúc 3D và bản chất của sự phân hủy nhựa. Kết quả cho thấy các hạt rõ ràng có độ tương phản tốt. Trình tự dựa trên bản đồ cryo-EM cho thấy bốn quần thể phụ được tạo thành từ các protein khác nhau, tuy nhiên, do các protein này khó xác định và bản chất chất xúc tác của chúng cũng chưa được biết đến nên chúng được đặt tên theo công việc trước đó.

Các nhà sinh học đặt tên cho quần thể protein đầu tiên là Demetra và Cibeles. Nhóm thứ hai tương ứng với hexamerin Ceres và họ đặt tên cho lần tái thiết thứ ba là Cora. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh khả năng hai trong số các hexamer này có thể oxy hóa và phân hủy polyetylen. Ngẫu nhiên, cả bốn protein đều có chung sự tương đồng đáng kể về trình tự và thuộc họ hexamerin, trình tự vị trí hoạt động của của nhóm này không được bảo tồn.

Sự tự liên kết của dạng trưởng thành của Demetra và Cibeles với phân tích cấu trúc của Ceres và Cora

Nhóm nghiên cứu đã cố gắng tiến hành phân loại protein 3D ban đầu, mặc dù việc này không dễ dàng do tính không đồng nhất nên cần phải xử lý thêm. Khi kiểm tra chặt chẽ mô hình nguyên tử, các nhà khoa học đã tiết lộ những tương tác phân tử phức tạp với các dimer Cibeles và Demetra.

Các kết quả nhấn mạnh khả năng Demetra liên kết với Cibeles trong nước bọt của G. mellonella để tạo thành một nhóm các dị vòng. Tiếp theo, các nhà khoa học khám phá Ceres như một hexamerin liên kết kim loại; một loại protein được xác định trong nước bọt có hoạt tính phân hủy polyetylen. Ceres có chung cấu trúc với Demetra và Cibeles, mặc dù nó tự phân loại thành các homohexamer và hoạt động như một hexamerin liên kết kim loại glycosyl hóa, có khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ. Mặt khác, Cora là một hexamerin giàu methionine có nhiều nhất trong protein của nước bọt lepidopteran, được chứng minh bằng các hạt cryo-EM.

Phân hủy polyetylen

Các nhà hóa sinh trước đây đã chứng minh khả năng của Demetra và Ceres trong việc phân hủy polyetylen ở các mức độ khác nhau. Ví dụ, khi họ sử dụng 5 μL protein tái tổ hợp tinh khiết Cora để kiểm tra khả năng oxy hóa polyetylen, họ đã ghi nhận quá trình oxy hóa polyme-nhựa bằng kính hiển vi Raman đồng tiêu hoặc quang phổ. Cora bất hoạt không làm biến đổi màng PE, Cora phân hủy polyetylen một cách hiệu quả cùng với Demetra và Ceres.

Bằng cách này, Mercedes Spinola-Amilibia và các đồng nghiệp đã nêu bật thành phần và tổ chức phân tử của các tiền chất chính được tìm thấy trong nước bọt của loài lepidopteran G. mellonella. Sử dụng phân tích cryo-EM của mẫu gốc, nhóm đã thu được thông tin có giá trị.

Sử dụng mô hình tái tạo 3D, họ đã tiết lộ rằng dịch tiết ở miệng chứa hỗn hợp gồm bốn loại protein có liên quan chặt chẽ với nhau ở các tỷ lệ khác nhau và các đặc điểm cấu trúc đáng chú ý có tên là Demetra, Cibeles, Ceres và Cora, trong đó bộ ba Demetra, Ceres và Cora cho thấy khả năng phân hủy polyetylen dồi dào.

Công trình nghiên cứu nhấn mạnh hoạt động phân hủy polyetylen tương ứng với độ dẻo chức năng có tiềm năng công nghệ sinh học của các yếu tố hexameric được tìm thấy trong nước bọt của sâu sáp. Những yếu tố này làm sáng tỏ những ứng dụng rộng rãi hơn của hệ thống sinh học để quản lý chất thải nhựa vượt quá khả năng phân hủy sinh học hiện có của vi sinh vật.

Nghiên cứu chủ yếu trình bày chi tiết về cấu trúc phân tử của các hợp chất hướng tới sự phát triển của một lĩnh vực mới nổi về khả năng phân hủy sinh học nhựa. Các nhà nghiên cứu mong muốn kết hợp các phân tích về tinh thể học tia X và cryo-EM để khám phá cảnh quan phong phú và phức tạp với một nhóm protein ở loài không xương sống có khả năng nhận được sự chú ý lớn hơn trong khoa học đời sống. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tiết lộ cơ sở tiến hóa làm cơ sở cho chức năng của protein để kết hợp các nỗ lực tái chế nhựa và phân hủy nhựa nhờ enzyme tự nhiên tạo ra hiệu quả cao.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-09-biologyplastic-degradation-wax-worm-saliva.html, 28/9/2023