Kỹ thuật nguyên tử cho thấy sự tiến hóa của protein vi khuẩn

Sử dụng phương pháp hiệp đồng, nhóm KAUST hợp tác đã phân tích phản ứng của các protein H-NS khác nhau (được trình bày ở trên) với nhiệt độ và độ mặn ở cấp độ nguyên tử

Sự kết hợp của một loạt các kỹ thuật cấp độ nguyên tử cho phép các nhà nghiên cứu chỉ ra cách những thay đổi trong protein cảm nhận môi trường giúp vi khuẩn tồn tại trong các môi trường sống khác nhau, từ ruột người đến các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu.

Stefan Arold, giáo sư sinh học tại trường Đại học Khoa học & Công nghệ King Abdullah (KAUST) cho biết: “Nghiên cứu cho chúng ta cái nhìn sâu sắc chưa từng có ở cấp độ nguyên tử về cách vi khuẩn thích nghi với những điều kiện môi trường thay đổi. "Để có được những hiểu biết sâu sắc này, chúng tôi đã thực hiện ba phương pháp điều tra khác nhau và kết hợp các kết quả của chúng thành một bức tranh tổng thể".

Protein có cấu trúc nucleoid (H-NS) giống histone cho phép vi khuẩn cảm nhận được những thay đổi trong môi trường của chúng, chẳng hạn như các thay đổi về nhiệt độ và độ mặn. Trước đây, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra cách vi khuẩn gây bệnh đường ruột Salmonella typhimurium sử dụng H-NS để kiểm soát hồ sơ biểu hiện gen của chúng, cho phép chúng sống tối ưu bên trong vật chủ máu nóng hoặc trong đất.

Protein H-NS cũng được tìm thấy trong các vi khuẩn không chịu được sự dao động nhiệt độ lớn, chẳng hạn như mầm bệnh thực vật, côn trùng cộng sinh và vi khuẩn sống tự do trong các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu. Tuy nhiên, vẫn còn khó hiểu là các vi khuẩn khác nhau đã điều chỉnh cùng một cơ chế cảm nhận để phù hợp với nhiều lối sống khác nhau ra sao.

Không có kỹ thuật phân tích đơn lẻ nào có thể làm sáng tỏ hoạt động bên trong của cơ chế này và do đó, để có được cái nhìn tổng hợp hơn, Arold đã tập hợp một nhóm đa dạng từ KAUST và các cộng tác viên quốc tế Arold và Lukasz Jaremko, một nhà hóa sinh phân tử tại KAUST, hợp tác với Jianing Li từ trường Đại học Vermont để kết hợp một số phương pháp: quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân không proton, mô phỏng động lực học phân tử toàn nguyên tử và kỹ thuật lý sinh học. Cách tiếp cận phối hợp này cho phép các nhà nghiên cứu phân tích phản ứng của các protein H-NS khác nhau với nhiệt độ và độ mặn ở cấp độ nguyên tử.

Tất cả các protein H-NS đều hiển thị cùng một cơ chế cảm nhận của tổ tiên, theo đó nhiệt độ và độ mặn thúc đẩy sự tan chảy của một trong hai miền đồng phân hóa của H-NS, giải phóng sự bám chặt của nó trên DNA.

Tuy nhiên, sự thay thế axit amin theo vị trí cụ thể, chủ yếu ở các gốc liên quan đến cầu nối muối, tạo ra một loạt các đặc điểm tĩnh và động. Các tác động này làm giảm hoặc khuếch đại phản ứng của protein để phù hợp với lối sống của vi khuẩn.

Nhà khoa học nghiên cứu KAUST Umar Farook Shahul Hameed cho biết: “Mặc dù bảo tồn phần lớn trình tự của những protein này, nhưng những thay đổi nhỏ có mục tiêu dẫn đến sự khác biệt lớn về cách chúng hoạt động”.

Do đó, protein H-NS của mầm bệnh táo Erwinia amylovora mất tính nhạy cảm với nhiệt, điều này phù hợp với lối sống của mầm bệnh ở vùng khí hậu ôn đới ổn định. Nghiên cứu chỉ ra một số thay đổi axit amin đã làm cho H-NS từ rệp muội Buchnera gần như không nhạy cảm với môi trường, phù hợp với vai trò của nó như là một sinh vật nội gián bắt buộc (tế bào của sinh vật khác) của rệp.

Arold nói: “Nếu bạn tác động vào đúng vị trí, hành vi sẽ thay đổi rất dễ dàng. "Có thể ứng dụng các phương pháp can thiệp vào cơ chế cảm biến này trong các lĩnh vực từ giảm thiểu biến đổi khí hậu đến giải quyết tình trạng kháng thuốc kháng sinh".

Đỗ Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager – Hoa Kỳ