Khả năng kháng khuẩn phi thường của loại protein 160 triệu năm tuổi

Nghiên cứu của Đại học Oregon, Mỹ, được công bố trên PLOS Biology cho thấy một đoạn peptide ẩn bên trong protein lactoferrin đã hình thành và thay đổi như thế nào trong quá trình tiến hóa. Nhóm nghiên cứu đã

tái tạo các phiên bản cổ đại của phân tử này rồi kiểm tra chúng trên nhiều loại vi khuẩn gây bệnh.

Protein kháng khuẩn từ các loài động vật có vú cổ đại có niên đại cách đây 160 triệu năm được hồi sinh chứng tỏ hiệu quả chống virus cực mạnh.

Lactoferrin là một protein phổ biến ở động vật có vú, có mặt trong sữa, nước mắt, nước bọt và nhiều dịch cơ thể khác. Một trong những chức năng nổi tiếng của nó là giữ sắt, qua đó hạn chế nguồn dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn.

Ngoài ra, một đoạn nhỏ nằm ở đầu protein, gọi là lactoferricin, có thể được giải phóng bởi các enzyme và hoạt động như một peptide kháng khuẩn. Phân tử này mang nhiều điện tích dương, giúp nó tương tác với màng tế bào vi khuẩn và gây tổn thương màng.

Quá trình tái dựng lactoferrin cổ xưa, cây phát sinh chủng loại và sự gia tăng điện tích dương ở vùng lactoferricin.

Titas Sil, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Sinh học và Viện Sinh thái và Tiến hóa của Đại học Oregon, là tác giả thứ nhất của nghiên cứu đã cùng các đồng nghiệp truy ngược lịch sử tiến hóa của lactoferrin bằng phương pháp tái dựng trình tự tổ tiên.

Nhóm phân tích hàng trăm trình tự protein ở các loài động vật có xương sống hiện đại, sau đó sử dụng quan hệ tiến hóa giữa chúng để dự đoán trình tự amino acid của những tổ tiên đã tuyệt chủng. Những trình tự này được kéo ngược về thời điểm lactoferrin bắt đầu xuất hiện, khoảng 160 triệu năm trước.

Các nhà nghiên cứu sau đó tổng hợp những peptide được dự đoán và đưa chúng vào thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Kết quả cho thấy khả năng kháng khuẩn không xuất hiện hoàn chỉnh ngay từ đầu. Phiên bản lactoferricin cổ xưa nhất chỉ có tác dụng tương đối yếu. Nhưng qua các giai đoạn tiến hóa tiếp theo, peptide ngày càng có nhiều amino acid mang điện tích dương và các amino acid kỵ nước. Hai đặc điểm này rất quan trọng đối với khả năng tấn công màng tế bào vi khuẩn.

Peptide được chỉ định chỉ cần 60 phút để phá vỡ màng tế bào và hình thái tế bào của khuẩn Pseudomonas aeruginosa.

Đáng chú ý, một phiên bản có thể làm giảm khoảng 100.000 lần khả năng sống sót của S. aureus trong thí nghiệm. Một phiên bản lactoferricin lấy từ bò thậm chí loại bỏ được các khuẩn lạc S. aureus có thể phát hiện chỉ sau khoảng 2 giờ trong điều kiện thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện chỉ một lần thay thế amino acid, từ glutamine sang arginine tại vị trí số 8 của peptide đã giúp tăng đáng kể hoạt tính kháng khuẩn đối với P. aeruginosa.

Matthew F. Barber, giáo sư Sinh học tại Đại học Oregon và là tác giả cao cấp của nghiên cứu, cho rằng tiến hóa có thể được xem như một “thí nghiệm khoa học” kéo dài hàng tỷ năm. Những biến thể đã tồn tại và được chọn lọc trong tự nhiên có thể cung cấp manh mối cho việc thiết kế các phân tử kháng khuẩn mới.

Các thí nghiệm cũng cho thấy lactoferricin cổ đại có thể làm thủng màng vi khuẩn và làm thay đổi trạng thái điện của màng. Ở những phiên bản mạnh hơn, tổn thương trở nên nghiêm trọng đến mức vi khuẩn không thể phục hồi.

Tuy nhiên, đây chưa phải là một loại kháng sinh có thể sử dụng cho con người. Các peptide kháng khuẩn thường kém ổn định hơn thuốc kháng sinh truyền thống và có thể bị phân hủy nhanh trong cơ thể. Nghiên cứu hiện mới dừng ở mức tìm hiểu cơ chế tiến hóa và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

GS Barber lưu ý rằng, vi khuẩn cũng có thể tiến hóa khả năng kháng các peptide này. Vì vậy, mục tiêu lâu dài không chỉ là tìm một phân tử có khả năng giết vi khuẩn, mà còn phải giúp thiết kế các peptide mới hoặc những liệu pháp phối hợp khiến vi khuẩn khó phát triển khả năng kháng thuốc hơn.