Bạn có biết nhện tạo ra tơ như thế nào?

Tơ nhện là một loại vật liệu thật sự rất kỳ diệu: trọng lượng nhẹ và co giãn nhưng lại cứng hơn cả thép. Tuy nhiên, thách thức mà loài nhện phải đối mặt để sản xuất ra thứ vật liệu này thậm chí còn to lớn hơn.

Silk protein, thường được gọi là các spidroin, đã phải chuyển đổi từ thể lỏng sang sợi rắn ở nhiệt độ thích hợp, với sự góp mặt của dung môi nước, ở một tốc độ rất cao để tạo thành thành phẩm cuối cùng là những sợi tơ mảnh mai nhưng chắc chắn. Vậy làm thế nào để loài động vật 8 chân này có thể thực hiện được điều đáng kinh ngạc như vậy?

Trong một nghiên cứu vừa được đăng tên tạp chí PLOS Biology vào ngày 5/8/2014, hai nhà khoa học là Anna Rising và Jan Johansson đã cho thấy quá trình hình thành tơ được diễn ra như thế nào. Nghiên cứu này được thực hiện tại trường Đại học Khoa học Nông nghiệp Thụy Điển ((SLU) và Viện nghiên cứu Karolinska, đồng thời còn phối hợp với các đồng nghiệp ở nhiều quốc gia như Latvia, Trung Quốc và Mỹ.

Từ Spidroin sang tơ nhện

Như đã nói ở trên, spidroin là loại protein lớn chứa đến 3.500 axit amin với trình tự được lặp đi lặp lại, nhưng phần quan trọng nhất cho việc chuyển đổi các spidroin thành tơ là ở phần cuối. Những vùng đầu-cuối của các protein là thứ duy nhất chỉ có ở tơ nhện và rất giống nhau giữa các loài nhện khác nhau.

Về mặt sinh học, spidroin có cấu trúc xoắn và không có một trật tự nhất định khi được lưu trữ như các protein hòa tan trong tuyến tơ. Tuy nhiên điều đặc biệt nằm ở chỗ khi biến đổi thành tơ, cấu trúc này lại thay đổi hoàn toàn thành một cấu trúc có độ ổn định cơ học cao hơn gấp nhiều lần.

Thay đổi thú vị này được kích hoạt bởi sự chênh lệch độ pH, xảy ra giữa một đầu của tuyến tơ nhện với đầu một tuyến tơ khác. Ban đầu, tuyến tơ đi từ một khe hẹp đến một cái túi, rồi tiếp tục đi qua một ống dẫn nhỏ và ra ngoài. Hiện các nhà khoa học đã có thể xác định được vị trí chính xác bên trong ống dẫn, nơi mà tơ nhện hình thành. Thế nhưng những thông tin cụ thể hơn về quá trình này vẫn rất khó nắm bắt.

Sự chênh lệch pH giữa giai đoạn đầu và cuối

Bằng cách sử dụng vi điện cực có tính chọn lọc cao để đo độ pH trong các tuyến tơ, các nhà nghiên cứu đã cho thấy pH giảm từ mức trung tính là 7,6 thành 5,7 (axit) giữa phần đầu-đuôi và nửa phần dưới của ống, và độ giảm pH này cao hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Các vi điện cực cũng cho thấy nồng độ của các ion bicacbonat và áp suất mà khí CO2 gây ra đồng thời tăng lên dọc theo các tuyến tơ. Tóm lại, những yếu tố này đã cho thấy độ giảm pH có thể được hình thành bởi sự vận động của một loại enzyme mang tên carbonic anhydrase, với khả năng chuyển hóa CO2 và nước thành bicacbonat và các ion hydro (từ đó tạo ra môi trường có tính axit). Sử dụng một phương pháp đặc biệt, các chuyên gia có thể xác định carbonic anhydrase hoạt động trong một phần hẹp hơn của tuyến tơ và chất này thực sự đã gây ra sự chênh lệch pH.

Bên cạnh đó, các tác giả của công trình nghiên cứu cũng nhận thấy pH còn có tác động đến sự ổn định của hai vùng tại phần cuối của các protein spidroin, điều này thực sự gây ngạc nhiên vì trước đây, người ta cho rằng những vùng này có vai trò tương tự trong việc hình thành tơ. Trong khi đầu kết thúc của spidroin có xu hướng kết đôi với các phân tử khác và trở nên ổn định hơn khi độ axit tăng dọc theo ống, thì đầu còn lại lại dần mất ổn định khi tính axit tăng. Điều này chứng tỏ ở phần đầu của ống, carbonic anhydrase vẫn hoạt động.

Cơ chế "khóa và kích hoạt" và căn bệnh Alzheimer

Những hiểu biết sâu sắc này đã làm cho các nhà khoa học đề xuất ra một mô hình mới mang tên "khóa và kích hoạt"; cho sự hình thành của tơ nhện. Thât sự khá thú vị khi giới chuyên gia phát hiện ra rằng cơ chế này có liên quan đến các hoạt động não của người mắc các bệnh như Alzheimer. Qua đó, cho chúng ta cái nhìn bao quát và cụ thể hơn về căn bệnh này, nhằm giúp đưa ra các liệu pháp hữu hiệu hơn dành cho những người mắc bệnh vào một ngày không xa. 

Trí Nguyễn

Theo PLOS Biology