Nhận diện protein chủ chốt phản ứng với D1 bị quang hoá thông qua quá trình oxy hoá Trpphaan huỷ enzyme FtsH. Các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Okama, Nhật Bản, báo cáo chi tiết về cơ chế sửa chữa hệ thống quang hoá II.
Quang hợp được nhắc đến như là quá trình sinh học cơ bản của việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học do chất diệp lục (sắc tố màu xanh của lá cây) trong thực vật. Quá trình này ở thực vật duy trì tất cả sự sống và hoạt động sinh học trên Trái đất. Phản ứng đầu tiên của quá trình quang hợp xảy ra tại một vị trí ở màng thylakoid trong lục lạp gọi là hệ thống quang hoá II (PSII), nơi năng lượng ánh sáng được truyền đến các phân tử diệp lục. PSII được hoạt động hình thành từ nhiều protein khác nhau, bao gồm các phản ứng protein D1 và D2 chủ chốt.
Năng lượng ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp. Tuy nhiên, lượng năng lượng ánh sáng cao có thể gây ra tổn thương quang oxy hóa ở PSII, đặc biệt là protein D1. Protein D1 bị ảnh hưởng sẽ bị phân hủy bởi FtsH, một loại enzyme phân huỷ protein, và một protein D1 hoàn toàn mới được tổng hợp vào vị trí của nó. Tuy nhiên, làm thế nào để nhận biết protein D1 bị tổn thương do FtsH được nhận ra và phân hủy có chọn lọc vẫn còn là một bí ẩn.
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học đã nghiên cứu khám phá quá trình truyền tín hiệu và nhận biết đằng sau sự thoái hóa protein D1 do FtsH. Nhóm nghiên cứu do giáo sư Wataru Sakamoto từ Viện Khoa học và Tài nguyên Thực vật (IPSR), Đại học Okama, Nhật Bản cùng với tiến sỹ Yusuke Kato, từ Khoa Nông nghiệp, Đại học Setsunan, Nhật Bản và tiến sỹ Shin-Ichiro Ozawa, đứng đầu từ IPSR, Đại học Okama, Nhật Bản, đã kết hợp giữa công nghệ sinh học thực vật và kỹ thuật khối phổ để nghiên cứu cơ chế sửa chữa oxy hóa quang học. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí eLife vào ngày 21 tháng 11 năm 2023.
“Photosystem-II bị tổn thương được hiểu giống như một cỗ máy công nghiệp bị hỏng cần được sửa chữa hoặc thay thế. Giáo sư Wataru Sakamoto giải thích, quá trình sửa chữa/thay thế xảy ra trong quá trình quang hợp, đặc biệt là cơ chế nhận biết chính xác tổn hại này và sự suy thoái sau đó của protease điều này cuốn hút sự tìm hiểu của tôi”.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra cơ chế nhận biết bằng cách theo dõi sự hiện diện của dư lượng axit amin tryptophan bị oxy hóa (Trp) trong protein D1, đặc biệt là dư lượng Trp-14 ở đầu N. Sự phức tạp về khả năng nhận biết protein D1 của FtsH bằng cách nghiên cứu quá trình biến đổi hậu dịch mã oxy hóa (OPTM) của dư lượng Trp-14 trong nhiều loài đột biến biến đổi của Arabidopsis (một cây mô hình) và Chlamydomonas (tảo xanh) được hiểu rõ hơn. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng động lực học phân tử (một thí nghiệm mô phỏng dựa trên máy tính) để nghiên cứu các khía cạnh chức năng của quá trình oxy hóa Trp-14.
Họ quan sát thấy rằng ngoài việc gây tổn hại nghiêm trọng đến protein D1, lượng ánh sáng vượt quá bị oxy hóa Trp2 còn lại trong D1 của cây Arabidopsis và dư lượng Trp4 trong Chlamydomonas, thông qua OPTM để đánh dấu protein D1 bị phân hủy bởi FtsH. Hơn nữa, các loài đột biến Arabidopsis thiếu FtsH có nhiều dư lượng Trp oxy hóa trong D1 và việc thay thế Trp-14 thành phenylalanine (Phe) trong D1 của Chlamydomonas đã đẩy nhanh quá trình phân hủy D1 bởi FtsH.
“Nghiên cứu này tiết lộ sự biến đổi oxy hóa của các axit amin cụ thể có thể giúp nhận biết protein bị tổn hại và dẫn đến cơ chế sửa chữa tiếp theo. Tiến sỹ Sakamoto kết luận: Hiểu được các hoạt động với chức năng nhằm giúp duy trì quá trình quang hợp là điều quan trọng đối với môi trường của chúng ta và việc cải thiện hiệu quả của quá trình quang hợp có thể góp phần nâng cao các giống cây trồng có khả năng chống chịu trong tương lai”. Chúng tôi mong đợi kết quả nghiên cứu này là cơ sở cho việc cải tiến canh tác cây trồng.
Dương Thị Lan Oanh theo Đại học Okama.
