Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* ppsx

Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* Thật ra, sinh họccần đếnmột kính hiển vicực mạnh để quan sátcấu trúc hơnlà cần toán.Khi kính hiển vi điện tử có sức phóng đại vài trăm ngàn lần rađời (nhờ vào cônglaocủacác nhàvật lýứng dụng), ngànhsinhhọchoàntoànđổi dạng. Nó đã thoát xác từ việc "sưu tầm tem" mà Rutherfordcó ý khinhthường,mang tính môtả chung chung,quansát thói quencủa động vật haycác cấu tạo thựcvật hoa lácành, đếnmôn "sinh họcphân tử" đi sâu vào cấu trúc phân tử để tìm hiểu những cơ chế sinh học. Sinh học ngày nay đã lần lượt giải mã ra nhữngđiều bí ẩn mà thiên nhiêntạo ra. Sự kỳ diệu của vô số sản phẩm thiênnhiên từ cái cực lớn đến cái cực nhỏ kể cả cơ thể con ngườiđã làm ngỡ ngàng biếtbao trí tuệ khoahọc và khiến ta khôngkhỏi cúi đầu thán phục trước những kỳ công của tạo hóa. 3. Động cơ phân tử sinh học Mô phỏng từ thiên nhiên là thóiquen ngàn đời của loài người. Con người đã từng mơ ước muốn bay cao như chim, bơi lặn như kình ngư, chạynhanhnhư hổ báo. Nhữngđiều này đã thúc giục con người làmnên những cỗ máy tuyệt vời, biến giấc mơ thành hiện thực. Bước vào thế kỷ 21, chưathỏa mãn với việc bắt chước phiếndiện bề ngoài, con người tiếptục tìm kiếm nguồn sáng tạo từ Mẹ thiên nhiên để mô phỏng những cấu trúc sinhhọc ở mứcphân tử. Phân tử sinh học như protein với những chứcnăng khác nhau là cái mốc cơ bản thu hútkhông ítsự chú ý củacác nhà vậtlý, vật liệuhọc và hóa họctrong việc mô phỏng các sản phẩmcủa tạo hóa. Thiênnhiên đã đi trước con người hàng tỷ năm trong việc tạora muônloài với nhữngbộ phận lớn và nhỏ đếncấp phân tử, đượchoàn chỉnh theothời gian qua sự tiến hóa. Con người cũngđã lập ranhững kỳ tích,như chế tạo những bộ máy phản lực phóng con người vào không gian,những đầumáy xe lửa có khả năng kéo mộtđoàn tàuchạy hơn500 km/h, những chiếc máytính với khả năng ghi nhớ, tích trữ dữ liệu, cácdụng cụ điệntử, quang điện tử làm cuộc sống thườngnhật càng thêm thoải mái. Nhưng trên mức độ phứctạp và tinhvi, con người vẫn chưa vượt quađược những bộ máy thiên nhiên có mộtthiết kế khôngthừa khôngthiếu với chức năngđa dạng và hiệu suất tốiưu. Ta thử quan sát một tế bào trongcơ thể. Tế bào là một đơn vị sinhhọc căn bản vàcũng là mộtcông trường tổnghợp đượctrang bị bằng nhiều động cơ phân tử, thựchiện nhữngcông việcđặc thù để duy trìsự sống như chuyển hóa (metabolism), phục chế các mã ditruyền, chế tạo proteinvới cácchức năng khác nhau, nhận các chất bổ dưỡng từ bên ngoài rồi biến chúng thành nhữngnhiên liệu cần thiết chocơ thể. Protein là một loại siêu phân tử (supramolecule)trongcấu tạo của các loài độngvật có vú. Sự sống được duytrì bởi protein. Chẳng hạn, enzymelà protein có chức năngxúc tác cho các phản ứng sinhhọc của mọi quá trìnhchuyển hóatrong tế bào.Protein có chức năng hấp thụ khí như hemoglobin trong hồnghuyết cầu mangoxygen từ phổinuôi sống các tế bào.Những protein kháng thể của hệ thống miễn nhiễm có chức năng bảo vệ chống nhiễm khuẩn và những vật lạ xâm nhập cơ thể. Ngoài ra,collagen và elastin là những proteinở da và xươngcó chứcnăng cấu trúc. Động cơ proteinnhư actin-myosin có chứcnăng co dãntrong cử động cơ bắp, hay kinesincó tác dụng như chiếc xe tải vận chuyển hàng hoá. Thậm chí có loạiprotein tự phátquang trong các loài sứa biển [5]. Hóa ra, thiên nhiên không những cho ta sự sống màcòn cốnghiến những mô hình phân tử rất hoàn chỉnhcủa một động cơ từ việcdi chuyển(như xe hơi),khuân vác (xe tải),phát quang (nhà máyđiện) đếnviệc sản xuất/xúc tác (công trường). Một trong những"cỗ máy" phân tử trong tế bào gây nhiều chú ý đến các nhà nghiêncứu động cơ phân tử là adenosinetriphosphate(ATP)synthase (synthase: enzymetổng hợp, viết tắt ATPase)(Hình 2). Về mặt hóahọc, đâylà một proteincó chức năng xúctác sản xuất hợp chấtATP. Về mặtcơ khí, ATPaselà một độngcơ nano quaytròn. Hợpchất ATPlà những"cục pin" chứa năng lượngđể tiêu dùng cho những hoạt độngcủa cơ thể. Những chất bổ dưỡng ta nhận từ thức ăn sẽ biến thành năng lượngvà năng lượng này sẽ được tích tụ trong phân tử ATP. Nhờ tính chất xúctác của ATPase,lượng sản xuấtnhững "cục pin"ATP giatăng hàng tỷ lần. Hình 2: Động cơ phân tử sinh học APTase ATPasecó kích thước 20 -100nm và gồm haiphần: Fovà F1. Fo có hình giống bánh xenước, là bộ phận quay gắn vào màng ti thể (mitochondrion)trong tế bào [6] và F1 cóhình cây nấm.Trong quá trình tổng hợp ATP, Foquay tròn với tần số 100 Hz (100vòng/giây) giốngnhư một bánh xe nước được điều động bởi sự khác biệt giữanồng độ của ion H + bên trong và bênngoài màngti thể. Fo thu hút H + và nguồn năng lượng từ thức ănđược đưa qua F1để kết hợpvới adenosine diphosphate (ADP)để tạo ranhững "cụcpin" ATP. "Pin"ATP cho mộtnăng lượng 15 MJ(Mega Joule)/kg,nhiềuhơn 30 lầnpin ionlithium cùng trọng lượngthường được dùng trong laptop,điện thoại di động[7]. Tổnghợp ATP là một quátrình rấtquan trọngtrong cơ chế dinhdưỡng của sinh vật. ATPasesản xuất 50kg ATP mỗi ngày để cơ thể tiêu thụ. Cơ thể cần năng lượng cho sự co dãn bắpthịt trongviệc đi đứng, chạy nhảy,khuân vác vàtổng hợp các phân tử sinh học như các loại acid nucleic,protein để duy trì sự sống. Trong những hoạt động này, ATP phóng thích năng lượng và biến thành ADP. ATP ADP + năng lượng Như ta thấy trongHình 2, cấu trúccủa ATPaselà một hệ thống vô cùng phức tạp và cho ta một mô hình thật hoàn chỉnh của một độngcơ quay. Trongkhi ý tưởng thu nhỏ của Feynmanvà Drexler hầu như bất khả thi trướcnhững giới hạn được định sẵn bởi cácquy luậtvật lý, nhưngdựa trên sự mô phỏngsinh học, hóa học cho ta mộtgiải phápchế tạo động cơ phân tử triệt để và toàn diện.Các hợp chất được tổnghợp từ các phản ứnghóa họcvới những chức năng tiên định và là những bộ phận lýtưởng có thể lắp ráp tạo nênmột động cơ phân tử theo đúng tinh thần củaphương pháp "từ dưới lên". Chúngta hãy xemcác nhàhóa học đã tổng hợp các độngcơ phântử nanonhư thế nào. 4. Hóa học siêu phân tử (Supramolecular chemistry) Như một nhà ảothuật, với hơn100 nguyên tố hóa học, gần 200 năm qua các nhà hóahọc đã "bốc ra" từ cái nón"thầnbí" của mình hàng trăm triệu hợpchất với những đặc tính khác nhau và vô số cấu trúc phân tử. Khôngai hiểu rõ đặc tínhtừng nguyêntố hóa họcvà cách kết hợp giữa các nguyêntố như các nhà hóa học. Với những phươngpháp tổnghợp gầnnhư đi từ trực cảm và kinhnghiệm, bằngnhững dụngcụ thí nghiệm đơnsơ như ống nghiệm, lọ thủy tinh,ống chưngcất, họ tạo ra những hợpchấtảnhhưởng đếnmọi sinh hoạt củacon người với những tácdụng dược liệu, chất xúctác, thuốc nổ đến cácloại polymer khác nhau cónhiều ứng dụngcôngnghiệp. Nhu cầu nghiêncứu cáccôngcụ và độngcơ ở thangphân tử đã đưa hóa học vào mộtlĩnh vựcmới nhiềuthử thách. Phương pháp "từ trên xuống" như ta đã biết chỉ có thể gia công đến kíchcỡ micromét hayvài trăm nanomét nhưng khôngthể thu nhỏ đến cấp phân tử. Làmsao có thể chế tạo bánh răng, trụcquay, piston,van, công tắc phân tử để lắp ráp thành một động cơ phântử? Các nhà khoa học phải nhìn đếnsinh học để tìm kiếmnhững mô hình thích hợp vì sự chuyển động (movement) là một đặc trưng trung tâm của sự sống. Côngnghệ nanovà sự mô phỏngthiên nhiênở mứcphân tử tạo ra một cơ hội mới cho ngành hóatổng hợp. Hóa tổnghợp "cổ điển" đã sản xuất phần lớn nhữnghợp chất với cấutrúc liên kết cộng hóa trị (covalent bond). Các sảnphẩm từ dầu hỏa, plastic/polymer, sơn, dược liệu, tơ sợi, phân bón, thuốc sát trùng và nhiều sảnphẩm hóahọc khác phần lớnlà nhữnghợp chất cộng hóa trị. Sản phẩm dựa trên các hợp chất này ngày nay códoanh thu vài ngàn tỷ đô-la mỗi năm trên thị trường thế giới.Dù có mộtsự thành công nhất địnhtrên thương trường,các hợpchất có liên kếtcộng hóa trị vô hình trung đã tạo ra sự khác biệt giữa hai thế giới củahóa học vàsinh học. Trong khi các nhàsinh học khảo sát sự diễn biến rất ngoạn mụccủa những phântử sinh học tác động lên nhautrong cácquá trình duytrì sự sống, thì nhà hóa học bằng lòng với những chiếcống nghiệm,dụng cụ thủy tinh các thứ,lắc lắc xoayxoay tiến hành phản ứng,tinh chế sản phẩm, giatăng sản lượngđể tạo racác phân tử "bất động". Hayít ra đây là sự khác biệtcăn bản trước khihóa học siêu phân tử rađời và khẳngđịnh chỗ đứng của mình. Muốn bắt chướcnhững phân tử sinh học như protein, các nhà hóa học cần tổng hợp nhữngsiêu phântử (supramolecule).Siêu phântử lànhững phức chất (complex)đượctạothành từ vài thành phần phântử (molecularcomponent/unit) đan xen vào nhau (Hình 3).Liên kết giữa các thành phần phân tử này không phải là liên kết cộng hóa trị như cáchợp chấthóa học "cổ điển" mà là cácliên kết liên phân tử (intermolecularbond) yếuhơn như nối hydrogen, nối vanderWaals, nối ion. Vì là cácliên kết yếu,khi được kích thích ở mộtđiều kiện thích hợp, các thành phần phân tử có thể trượt tới trượtlui, di chuyển qua lại hay xoaytròn.Khi có sự di chuyển của những bộ phận,ta thấy ngay bóng dángcủa một động cơ. Hìnhdạng siêu phân tử có thể nói là"thiên biếnvạn hóa". Nócó thể làmột phức chất củamột tập hợp nhiều phân tử thành phần giống nhau,hay mộtcấu trúc vòngtrong một cấu trúcvòng (Hình4), hay một cấu trúc dây xuyên qua một cấu trúc vòng(Hình 5). Hình 3: Quá trình tổng hợp của siêu phân tử. (a): Tổng hợp "cổ điển" tạo phân tử có liên kết cộng hóa trị; (b): Phức hóa (complexation) các phân tử tạo thành siêu phân tử với liên kết liên phân tử. Hình 4: Cấu trúc siêu phân tử của một phức chất kim loại (metal complex): một cấu trúc vòng (phân tử 1) trong một cấu trúc vòng (phân tử 2) mà trung tâm là nguyên tử kim loại (Nguồn: Wikipedia). Hình 5: Một cấu trúc dây (phân tử 1) xuyên qua một cấu trúc vòng (phân tử 2) như sợi chỉ và lỗ cây kim (Nguồn: Wikipedia). Thật ra, trong hàng chục, trăm triệu hợp chất hóa học đượctổng hợp vài trămnăm qua,đâu đó đã xuất hiện các siêu phân tử. Cácsiêu phân tử đơn sơ đầu tiên gây sự chú ý có lẽ vì vẻ đẹp lập thể phân tử hơn là tiềmnăng áp dụngcủa chúng. Tuynhiên, haimươinăm gần đây côngnghệ nano đã đem tới siêuphân tử một màu áo thực dụng. Giải Nobel Hóahọc (năm 1987)được traocho ba chuyên gia hóa họcsiêu phân tử,Donald J. Cram, Jean-Marie Lehnvà Charles J. Pedersen, là một bước ngoặt lớnđánh dấu sự trưởng thànhcủa bộ môn này. Nó nhanhchóng trở thành một ngành chuyênbiệt trong khoahọc và cũnglà giao điểm củacác nghiêncứu liênngành giữahóa học, sinhhọc, vật lý, vật liệu, điện tử và y học. Từ thập niên 90 củathế kỷ trướchóa học siêu phân tử càng lúccàng trở nên tinh vivà phức tạp. Cácphương pháp tổnghợp dùng hạt nano,fullerene, dendrimer trongcấu trúcphân tử đã đa dạng hóa siêu phân tử và tạora những chức năng như tự lắp ráp (self-assemble),biết cảmứng, biết lựa chọn, biết nhận thức (regconition)giốngnhư phân tử sinhhọc. Ngoài ra, siêuphân tử còn khả năng biến hoán và tích trữ năng lượng mặt trời, tiềmnăng tải thuốc đến tế bào và trừ khử độc tố. 5. "Xui bước chân đây cũng ngại ngùng" [8] Chúng takhông thể nghĩ một cách đơn thuần là độngcơ phân tử là một dạng "tí hon" được thunhỏ từ những cỗ máy bìnhthường.Khi một vật đượcthu nhỏ, những hiệntượng không thấy ở trạng thái vĩ mô xuất hiện.Chỉ cần thu nhỏ đến micromét như các hệ thống điện cơ vimô (MEMS),ảnh hưởng của trọng lựckhông còn là vấnđề, nhưng vì sự gia tăngbề mặt của việc thu nhỏ, sức căng bề mặt, lực van derWaals, lực tĩnhđiện, làm cho việc lắp rápvà thao tác trở nên khókhăn. Trongviệc chuyểnhoán năng lượng thànhcơ năng, Feynmanđã dự kiến rằng độngcơ phân tử không thể có cơ chế máy nổ đốt nhiên liệunhư máy ô-tô. Máy nổ phân tử là một việcbất khả thi và cũng không phải là một chọnlựa lý tưởng trên quanđiểm côngnghệ xanh. Chất thải nhà kính carbondioxide(CO 2 ) phần lớnđi từ máy nổ đã làm thayđổi khí hậu toàn cầuvà đanglàm "ngạt" địa cầu. Động cơ phân tử p hoạt động ở một nhiệt độ bình thườngvà ta phải họchỏi từ các cấu trúcthiên nhiên và bộ phận sinh học. Khác với các phản ứng hóa họcxảy ra trong phòng thí nghiệm nhiều lúcđòi hỏi điều kiện ápsuất, nhiệtđộ thật cao hay thật thấp, tất cả nhữngphản ứngsinh hóa họctrong sinhvật sản xuất ra những hợp chất hay phân tử đều ở điều kiện bìnhthường của cơ thể (áp suất1 atm, nhiệt độ 37°C). Động cơ ATPasequay đượclà nhờ sự khác biệt độ pH (nồng độ của ion H + ). Các phản ứng quanghợp đường glucose tronglá câytạonăng lượng cho sự sống thựcvật xảyra trong điều kiệnbình thường của áp suất và nhiệt độ của môi trường xungquanh.Vì vậy,năng lượng kíchhoạt cho độngcơ phân tử nhântạo phải là sóng điện từ (ánh sáng, nhiệt), nănglượng hóa học(độ pH) haynăng lượng điện hóa (phảnứng oxidhóa/khử). Khi thunhỏ đếncấp phântử, hiệu quả gây ra bởi daođộng nhiệtBrown xuất hiện [4].Dao độngBrown là một biến số cực kỳ quantrọng quyết định sự thành bại củađộng cơ phân tử. Nócó thể là bạn nhưngcũng có thể là thù tùy vào phép ứng xử của con người. Hãy tưởng tượngmột người đi trongmưagió. Mưa ở đây là trận mưa đá bị giông bão thổi không theo một phương hướng nhất định. Người đi lúc thì bị gióthổi về phía trước,lúc thì bị giật ngượcvề phíasau, anh ta phảibỏ nhiều công sức chống chọi với mưa bão để tiến đến mụctiêu. Nếu không đủ sức mạnh,anh ta sẽ bị mưa gió thổibay về một phươngtrời vô địnhvà cũngcó thể mất mạng không chừng! Thí dụ trên cho thấy hình ảnh các độngcơ phântử hoạt động trong môi trường thiên nhiên. Tỷ lệ độ lớn giữa ngườiđi trong mưa gió và nhữngcục mưa đá to bằngnắm tay giống như tỷ lệ giữa proteinvà phân tử nước hay phân tử oxygen, nitrogentrong không khí.Những phân tử của môi trường xungquanh (nướchay khôngkhí) va đập vào proteinhàngtỷ lần trongmột giây dosự daođộng nhiệt Brown [9]. Sovới động cơ protein,"người đi trong mưa gió"chỉ là một hìnhảnh tương đối nhẹ nhàng. Dù vậy, những cụcmưa đá chỉ cần đập vào người 10 lần/giây cũng đủ làm sự dichuyển trở nên cựckỳ khó khăn. Các nhà nghiên cứuNhật Bản thiết kế một thí nghiệm để quan sáttrực tiếp sự diđộng của động cơ proteinkinesinđi "hai chân" trong môi trường sinhhọc [10]. Họ nhìn thấy kinesinđươngđầu trước những "trận bão" Brown với sự va đập khôngkhoan nhượng của phântử môi trường. Cũnggiống như viên đá đập vào người, năng lượng vađập của một phân tử tương đươngvới 1/10năng lượng cần cho mỗi bước đi củakinesin [11]. Ôi! nhữngtrận cuồng phongBrown"xui bước chân đây cũng ngại ngùng", đã khiếnkinesindi chuyểnmột cáchngập ngừng, khập khiễng,có lúc bấtchợt nhảyvề phíatrước, thỉnhthoảng đi giật lùi vài bước phía sau. Nhưng dùbị nhiễu loạn,"ngại ngùng", kinesinvẫn kiên trì tiến về mộthướng nhất định. Để có mộtsuy nghĩ địnhlượng, ta hãy nhìnlại hai con số: (1)phân tử môi trường vađập hàng tỷ lần trong một giâyvào kinesinvà (2) nănglượng một va đập bằng 1/10năng lượng mộtbước đi. Khi ta phóng đại tấtcả chitiết của"trận bão" Brownthànhsự kiện củathế giới đời thườngthìquả thậtđây là nhữngtrận cuồng phong chưa từng có trong lịchsử! Nếu bị nhữngcục mưa đá va đập vào người với sức mạnhvà tần số như thế này thì ta không baogiờ đi đến mục tiêu và có nguy cơ… chết tan xác giữa đường!Từ hai con số này nếu ta suy diễn theomột lôgic đơn giản thì sẽ khôngcó một protein nào làm tròn nhiệmvụ mà cơ thể đã giao phó vàsẽ không có sự sống! Tuynhiên, sự sống hiện hữu, và hiện hữu một cách ngoancường những4 tỷ năm. Trongnhững trận cuồng phongBrown, các phân tử sinhhọc vẫn tồn tại,hoạt động theocác chức năng tự nhiên và hoànthành mỹ mãn công việc của mình. Như vậy, làm saokinesinhay những độngcơ protein khác có thể hoạt động trong"bãotố"?Như cácvõ sĩ Aikido (Hiệp khí đạo), thayvì cưỡng chống lại sự tấn côngcủa đốiphương, anh ta dùng nhữngthế võ biến sức của địch thành sứccủa mình rồi kiềm chế ngược lại. Rõràngkinesin là một anh võ sĩ Aikidotài ba, cócơ chế "bánh cóc" (ratchet)đi một chiều, nhận năng lượnghỗn loạntừ những cơn bão Brownrồi biếnthành năng lượng củamìnhvà đi tớitheo một hướng địnhsẵn (Hình6). Tuy cơ chế "bánh cóc" trong độngcơ phântử sinh học vẫn còn nhiềubí ẩn chưa có câu trả lời rõ ràng,nhưngnó cho ta một mô thức để hình thành các động cơ phân tử nhân tạo. Hình 6: Bánh cóc có hai bộ phận (a): cây chốt và (b): bánh xe. Vì cây chốt nên bánh xe chỉ có thể quay một chiều (Nguồn: Wikipedia). . Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* Thật ra, sinh họccần đếnmột kính hiển vicực mạnh để quan sátcấu trúc hơnlà cần toán.Khi kính hiển vi điện tử có sức phóng đại. nhữngsiêu phântử (supramolecule).Siêu phântử lànhững phức chất (complex)đượctạothành từ vài thành phần phântử (molecularcomponent/unit) đan xen vào nhau (Hình 3).Liên kết giữa các thành phần phân tử. hợp của siêu phân tử. (a): Tổng hợp "cổ điển" tạo phân tử có liên kết cộng hóa trị; (b): Phức hóa (complexation) các phân tử tạo thành siêu phân tử với liên kết liên phân tử. Hình 4: