Mò mẫm tắt chuông đồng hồ báo thức ồn ào, rồi nhấc thân thể nặng nề vào nhà tắm. Đánh răng, tắm gội sạch sẽ bằng đủ loại chai lọ khác nhau, rồi sấy khô tóc bằng máy sấy tóc. Ăn xong bữa sáng đơn giản, thay quần áo, mang theo túi xách và điện thoại di động rồi ra khỏi nhà.
Dù chỉ nhìn những món đồ được sử dụng trong khi chuẩn bị đi làm thôi, thì thấy hầu hết chúng đều được làm từ nhựa. Từ đồng hồ, bàn chải đánh răng, chai lọ đựng dầu gội sữa tắm, máy sấy tóc, chén bát, dụng cụ nấu ăn, vải chức năng, túi xách và cả màn hình điện thoại di động – tất cả những thứ này khó có thể tồn tại xung quanh chúng ta nếu đã không có nhựa. Thế kỷ 21 đáng được định nghĩa là “Thời đại của nhựa”.
Nhiều sản phẩm tiên tiến được làm từ polymer tổng hợp1 như nhựa (chất dẻo tổng hợp), sợi tổng hợp, cao su tổng hợp v.v… Thế thì các sinh vật, trong đó có con người, quả thật đã được tạo ra bằng nguyên liệu gì?
1. Polymer: Chỉ về một loại phân tử lớn có trọng lượng phân tử trên 10.000 và thường bao gồm hơn 100 nguyên tử. Hàng chục đến hàng trăm monomer xếp liên tiếp được tổng hợp để tạo thành chuỗi polymer dài.
Sinh vật được tạo thành từ protein
Các sinh vật bao gồm cả con người đều được cấu tạo từ các polymer thiên nhiên gọi là protein. Khi xem xét cơ thể con người, thì thấy được rằng hầu hết các bộ phận của cơ thể gồm các chất khác nhau trong tế bào, các thành phần của máu, các cơ quan và các cơ bao quanh cơ quan ấy, da, tóc, móng, v.v… đều được cấu tạo bởi nhiều loại protein có hình thái đa dạng. Không quá lời khi nói rằng sau khi loại bỏ nước thì một nửa cơ thể còn lại của con người đều là protein.2
2. Xương cứng cũng được hoàn thành sau khi nền xương có thành phần chính là protein collagen được cứng cáp và các tinh thể canxi phosphate được thêm vào.
Protein gấp và uốn cong theo cách sắp xếp trình tự các axit amin để tạo thành dạng ba chiều.
Trong trường hợp của huyết sắc tố, bốn chuỗi có hình quả bóng tròn kết hợp với nhau tạo thành một.
Nhựa là vật liệu polymer được hình thành bởi chuỗi phân tử dài và lớn thông qua quá trình trùng hợp các monomer có khối lượng phân tử nhỏ. Tương tự, protein là các polymer thiên nhiên, được tạo thành từ các monomer gọi là axit amin cấu tạo bởi carbon, hydro, oxy và nitơ. Các axit amin riêng biệt được liên kết với nhau bằng “liên kết peptide” thành hai vật thể được dán lại với nhau, từ đó tạo thành protein. Insulin – chất có trình tự sắp xếp của các axit amin được xác định lần đầu tiên sau nghiên cứu kéo dài cả thập kỷ – được hình thành từ 51 loại axit amin.
Hơn nữa, protein không giữ nguyên hình thái dưới dạng chuỗi đơn mà còn gấp lại được hoặc uốn cong tùy theo sự sắp xếp của các axit amin, thành dạng lập thể như quả bóng tròn, tấm, sợi dài hoặc cuộn, v.v… Chỉ khi đó, các chức năng và đặc trưng vốn có của mỗi loại protein cụ thể mới được thể hiện một cách chính xác. Huyết sắc tố trong máu gồm bốn chuỗi polypeptide; mỗi chuỗi giống như một chiếc nhẫn, kết hợp với nhau giống như một robot biến hình.
Cấu trúc của protein như thế này rất nhạy cảm với môi trường xung quanh. Lòng trắng trứng giàu protein ban đầu trong suốt, nhưng khi khuấy lên hoặc đun nóng thì chuyển sang màu trắng. Sự cấu trúc phân tử của protein bị biến đổi do môi trường bên ngoài thay đổi, khiến chúng không thể phát huy đúng chức năng, được gọi là “biến tính”. Đây cũng là lý do vì sao thịt chuyển sang màu nâu khi được nấu chín.
Protein với hàng nghìn khuôn mặt
Có tổng cộng 20 loại axit amin là nguyên liệu tạo ra protein. Vì chỉ có 20 loại axit amin tương ứng với các monomer của protein nên người ta có thể nghĩ rằng các loại protein được tổng hợp có lẽ không đa dạng như polymer tổng hợp. Tuy nhiên, ngay cả khi giả sử rằng chỉ có 10 trong số 20 axit amin được liên kết một cách tự do, thì đã có thể cho ra tới 2010 tổ hợp. Protein được hình thành bởi hàng trăm hàng ngàn axit amin nên có vô số tổ hợp như thế đến mức không thể đếm nổi. Điều này cho phép tổng hợp nhiều loại protein để đáp ứng các chức năng cần thiết bên trong cơ thể sống.
Trong cơ thể chúng ta, thông tin di truyền quyết định thứ tự các axit amin tạo nên protein. Các axit amin do mã DNA chỉ định được sắp xếp theo trình tự, giống như các hạt trong chuỗi và quá trình tổng hợp diễn ra trong trạng thái được kiểm soát chặt chẽ. Kết quả là, do trình tự và số lượng axit amin luôn được điều hòa một cách nhất định, nên độ dài và loại chuỗi luôn giống nhau, đó là lý do tại sao các protein được tạo ra lại có tính chất nhất quán.
Các axit amin tạo nên chuỗi có thể hút hoặc đẩy nhau, tùy thuộc vào tính chất của mỗi loại. Do đó, protein tự động được gấp lại trong trạng thái ổn định. Đôi khi, với sự trợ giúp của một loại protein khác, còn được gọi là Chaperone, chúng cũng tạo thành các hình thái lập thể.
Được biết, dù chỉ tính protein tồn tại trong cơ thể chúng ta thôi, thì cũng lên đến 100.000 loại. Chỉ có khoảng 30.000 gen có thể được gọi là bản thiết kế của protein, nhưng thông qua quá trình chỉnh sửa, một số protein hơi khác nhau có thể được tạo ra từ một gen hoặc chuỗi đường có thể được gắn vào để tạo thành một protein khác.
Protein, nguyên liệu chứa năng lực đặc biệt
Giống như việc protein có nhiều chủng loại đa dạng, năng lực protein có cũng muôn ngàn khác biệt. Lớp sừng trên bề mặt da, tóc, móng đều được cấu tạo bằng các protein keratin cứng và không tan trong nước. Xương cũng được tạo ra từ một loại protein gọi là collagen, kể cả thủy tinh thể trong suốt dẻo dai, cho đến cơ bắp đàn hồi đều được hình thành bởi các protein.
Protein không chỉ định hình cơ thể mà còn đóng vai trò hỗ trợ các hoạt động sống như một chất xúc tác, truyền tải và vận chuyển thông tin giống như các protein enzyme giúp tăng tốc độ phản ứng hóa học trong cơ thể. Trong não – nơi tập trung các tế bào thần kinh, ký ức và cảm xúc được tạo ra bằng cách trao đổi chất dẫn truyền thần kinh giữa các tế bào. Nhiều protein đa dạng tham gia vào quá trình phức tạp này. Các nhiệm vụ của protein cũng rất đa dạng, như tạo kháng thể chống lại mầm bệnh xâm nhập cơ thể, protein liên quan đến cảm giác, protein liên kết với DNA để điều chỉnh biểu hiện gen.
Khi nói đến chất liệu đàn hồi tốt, điều đầu tiên người ta nghĩ đến chính là cao su. Thế nhưng, tử cung – một cơ quan của cơ thể, còn có chức năng đáng ngạc nhiên hơn nhiều. Khi thai nhi đã trưởng thành hoàn toàn, tử cung sẽ lớn hơn gấp 500 lần so với kích thước ban đầu nhưng nó sẽ trở lại kích thước ban đầu sau khi em bé chào đời. Hầu hết các cơ quan có chuyển động lặp đi lặp lại như mạch máu, cơ quan phát âm hay tim đều được cấu tạo từ protein elastin có độ đàn hồi tốt. Đối với trường hợp của các mạch máu, chúng không bị mất tính đàn hồi và không bị vỡ dù tim đập liên tục trong suốt nhiều thập kỷ, trừ khi có vấn đề bệnh lý.
Một số protein có độ bám dính tốt. Có là một loại protein gọi là DOPA, chủ yếu được tìm thấy trong các sinh vật biển như hà và trai, là những loài thường bám vào vách đá mà sống. Chất kết dính có xu hướng mất độ bám dính khi có độ ẩm, nhưng loại chất kết dính được làm ra từ protein này thì không bị mất đi độ bám dính ngay cả trong nước. Thông qua nghiên cứu các đặc tính này, một loại keo protein sinh học đang được phát triển để thay thế chỉ khâu phẫu thuật.
Các loại cá ở Biển Nam Cực không bị đóng băng ngay cả ở nhiệt độ cực thấp. Điều này là do chúng có các protein chống đóng băng trong cơ thể giúp ức chế sự phát triển của các tinh thể băng ngay cả khi nhiệt độ nước ở dưới điểm đóng băng. Protein chống đông này còn được tìm thấy ở một số loài côn trùng và thực vật sống trong điều kiện khắc nghiệt, và được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp đa dạng như bảo quản máu và kiểm soát chất lượng thực phẩm đông lạnh.
Ngoài ra còn có loại protein có thể tạo ra áo khoác chống đạn. Protein tơ trích xuất được từ nhện bền hơn gấp 5 lần so với thép có cùng độ dày; nó mạnh đến mức một mạng nhện có đường kính 1cm có thể kéo được một chiếc máy bay phản lực. Protein tơ nhện có độ bền và độ đàn hồi cao này sẽ có nhiều triển vọng được sử dụng trong các lĩnh vực đa dạng như dù nhảy, dây chằng nhân tạo, dây cáp treo cầu treo v.v…
Khi nói đến protein, người ta thường nghĩ ngay đến những thực phẩm giàu protein như thịt, đậu, trứng v.v… Tuy nhiên, bản chất thực sự của protein là một loại polymer thiên nhiên đóng vai trò lớn trong cơ thể. Các loại protein khác nhau đang chi phối các hoạt động sống của mọi sinh vật, từ khi sinh ra, trải qua quá trình trưởng thành, cho đến tận khi chết. Mặc dù chủng loại monomer của protein ít hơn nhiều so với chủng loại monomer của polymer tổng hợp, nhưng sự đa dạng và đặc tính tuyệt vời của protein vượt xa so với polymer tổng hợp, vì chúng là nguyên liệu cấu tạo nên cơ thể con người.
Hệ proteinProteomics là những nghiên cứu và phân tích tổng hợp về chức năng và sự thay đổi của protein được tạo ra bên trong sinh vật đang được chú ý không kém Hệ gen họcGenomics, và là ngành tăng trưởng cao sẽ dẫn đầu nền văn minh khoa học trong thế kỷ 21. Điều này là do các protein được tạo ra từ gen chứa đựng những bí mật không thể khám phá được nếu chỉ nghiên cứu về gen. Có vô số loại protein chưa được biết đến trong các sinh vật mà chúng ta thậm chí không biết về sự tồn tại của chúng. Thực ra, những gì con người khám phá được chẳng qua chỉ là phần nổi của tảng băng chìm mà thôi.