Một sự thay đổi tinh tế trong bảng tuần hoàn cho thấy một lớp sinh học phức tạp Ảnh: Kanon Tanaka

Ở phía bên phải của bảng tuần hoàn, ngay bên dưới oxy, là một nhóm các nguyên tố ít được biết đến hơn được gọi là chalcogens, hoặc các nguyên tố “hình thành quặng”. Trong khi lưu huỳnh được công nhận rộng rãi về vai trò của nó trong sinh học, họ hàng nặng hơn của nó, selen và tellurium, ít được hiểu hơn. Tuy nhiên, cả ba đều lặng lẽ ảnh hưởng đến hóa học giúp giữ cho các tế bào sống.

Lưu huỳnh là nền tảng của điều chỉnh oxy hóa khử, hệ thống quản lý sự trao đổi liên tục giữa quá trình oxy hóa và giảm bên trong các tế bào. Sự cân bằng này là rất cần thiết. Khi nó bị phá vỡ, nó có thể dẫn đến stress oxy hóa, một tình trạng liên quan đến lão hóa và một loạt các bệnh. Glutathione, một trong những chất chống oxy hóa quan trọng nhất của cơ thể, phụ thuộc vào lưu huỳnh để trung hòa các phân tử phản ứng có hại và duy trì sự ổn định của tế bào.

Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các nguyên tố nặng hơn selen và tellurium cũng tham gia vào các quá trình oxy hóa khử này. Tuy nhiên, nghiên cứu các phân tử có chứa chuỗi các nguyên tử chalcogen khác nhau đã bị thách thức vì chúng không ổn định. Hầu hết các công trình trước đây đã dựa vào quang phổ khối lượng, không thể trực tiếp cho thấy các nguyên tử được liên kết như thế nào. Để khắc phục hạn chế này, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kyoto đã phát triển một phương pháp mới để quan sát tốt hơn các chuỗi chalcogen này.

Khám phá hóa học của Chalcogens

“Chúng tôi từ lâu đã quan tâm đến việc tìm hiểu làm thế nào sự thay thế nguyên tử tinh tế có thể làm thay đổi chức năng sinh học”, tác giả tương ứng Kazuma Murakami nói. “Hóa học Chalcogen cung cấp một cửa sổ độc đáo vào sinh học tái oxy hóa mà phần lớn vẫn chưa được khám phá.”

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cách tiếp cận mới dựa trên phản ứng tại chỗ trong dung dịch nước có chứa các phân tử glutathione-cystine bị oxy hóa. Trong giải pháp này, họ đã giới thiệu các nguyên tử selen hoặc tellurium.

Sau đó, họ đã phân tích các cấu trúc kết quả bằng cách sử dụng quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân 77Se / 125Te được phát hiện 77Se / 125Te, NMR. Để đánh giá hành vi oxy hóa khử, họ đã sử dụng các chất nhặt rác triệt để, giúp bảo vệ các tế bào khỏi bị hư hại do các phân tử không ổn định gây ra và cũng có thể ngăn ngừa bệnh ferroptosis, một dạng chết tế bào được kiểm soát.

Sử dụng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã sản xuất và phân tích thành công các phân tử trichalcogenide dị dạng bao gồm lưu huỳnh, selen hoặc tellurium. Điều này cho phép họ quan sát trực tiếp các liên kết không ổn định liên kết các nguyên tử chalcogen khác nhau. Kết quả của họ cho thấy các hợp chất này có hoạt tính oxy hóa khử mạnh.

“Đây là quan điểm quang phổ trực tiếp đầu tiên của các liên kết heterochalcogen trong các hệ thống oxy hóa khử”, Murakami nói. “Bằng cách kết hợp NMR đa hạt nhân với hóa học superchalcogenide, chúng tôi đã mở ra một con đường mới để nghiên cứu các phân tử sinh học hoạt động tái tạo.”

Ý nghĩa cho sinh học và y học

Kỹ thuật này có thể giúp thiết kế các phân tử tái tận thế mới theo cách có mục tiêu hơn và hỗ trợ phát triển các phân tử sinh học và peptide chức năng. Nó cũng có thể hỗ trợ nghiên cứu về stress oxy hóa và các bệnh liên quan đến ferroptosis.

Các nhà nghiên cứu có kế hoạch áp dụng phương pháp của họ vào các phân tử sinh học phức tạp hơn và tiếp tục điều tra vai trò sinh học của các dẫn xuất glutathione biến đổi chalcogen. Họ cũng nhằm mục đích tạo ra các hợp chất hoạt tính tái oxy mới có thể hữu ích trong các phương pháp điều trị y tế trong tương lai.