Keratin là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về Keratin

Keratin là họ protein dạng sợi không tan, chiếm ưu thế trong thành phần cấu trúc của biểu bì da, lông, tóc và móng. Khả năng chịu lực cao và độ bền hóa học đặc trưng giúp keratin tạo nên hàng rào bảo vệ hiệu quả chống lại tác nhân cơ học, hóa chất và vi sinh vật.

Các sợi keratin liên kết chặt chẽ với nhau qua các cầu disulfide giữa các chuỗi polypeptide, tạo thành mạng lưới ba chiều vững chắc. Đặc tính này không chỉ bảo vệ tế bào khỏi tổn thương mà còn duy trì độ đàn hồi và tính ổn định cấu trúc dưới tác động của nhiệt độ và độ ẩm thay đổi.

Keratin không tan trong nước và kháng phân giải bởi các protease phổ biến, đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt mới có thể phá vỡ liên kết. Chính vì vậy, keratin trở thành vật liệu sinh học lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong y sinh và công nghiệp.

Phân loại và cấu trúc phân tử

Keratin được chia thành hai nhóm chính dựa trên cấu trúc thứ cấp:

• Alpha-keratin: chủ yếu ở động vật có vú, gồm các đoạn xoắn alpha-helix nối đuôi nhau tạo thành sợi bán tinh thể.
• Beta-keratin: xuất hiện ở chim và bò sát, cấu trúc dạng tấm beta-sheet sắp xếp xen kẽ, mang lại độ cứng cao hơn.

Mỗi phân tử keratin chứa khoảng 300–600 dư amino acid, trong đó cysteine chiếm từ 5–15% tùy loại. Hàm lượng cysteine cao tạo điều kiện cho việc hình thành cầu disulfide (–S–S–), đóng vai trò then chốt trong độ bền cơ học.

Đặc tính	Alpha-keratin	Beta-keratin
Cấu trúc thứ cấp	Alpha-helix	Beta-sheet
Độ dài sợi	≈ 45–60 nm	≈ 10–20 nm
Hàm lượng cysteine	5–10%	10–15%
Đặc tính cơ học	Dẻo, đàn hồi	Cứng, giòn hơn

Ở cấp độ siêu cấu trúc, các sợi keratin liên kết ngang và xoắn lại thành sợi lớn hơn, sau đó kết hợp thành filament dày từ 7–10 nm. Sự đa dạng này cho phép keratin thích nghi với các chức năng sinh lý khác nhau ở từng mô.

Sinh tổng hợp và điều hòa biểu hiện

Quá trình sinh tổng hợp keratin diễn ra chủ yếu trong tế bào sừng bào (keratinocyte) ở lớp sinh và lớp gai của biểu bì. Tại đây, ribosome tổng hợp chuỗi polypeptide keratin dựa trên khuôn mẫu ARN thông tin (mRNA) mã hóa bởi các gen họ KRT.

Hệ gene KRT bao gồm hơn 50 locus khác nhau, chia làm hai nhóm: type I (acidic) và type II (basic–neutral). Mỗi filament keratin hình thành từ cặp phân tử type I và type II ghép đôi, sau đó kết hợp để tạo sợi đơn vị.

Biểu hiện gen keratin được điều hòa phức tạp bởi tín hiệu nội bào và ngoại bào:

• Yếu tố tăng trưởng như TGF-β, EGF kích thích hoặc ức chế tổng hợp tùy giai đoạn biệt hóa.
• Yếu tố phiên mã đặc hiệu (ví dụ AP-1, NF-κB) gắn vào vùng điều hòa promoter của gen KRT.
• Tương tác cơ học và tín hiệu qua trung gian cơ quan tế bào cảm nhận độ căng (mechanotransduction) ảnh hưởng đến biểu hiện keratin.

Tính chất vật lý – hóa học

Keratin có đặc điểm kháng nhiệt và kháng enzym protease nhờ hệ cầu disulfide bền vững. Khi đun nóng đến >200 °C hoặc xử lý bằng thuốc tẩy mạnh, keratin vẫn giữ được cấu trúc cơ bản, chỉ biến tính dần khi nhiệt độ lên tới 300 °C.

Dung dịch keratin chỉ thu được khi phá vỡ cầu disulfide và phá cấu trúc xoắn bằng tác nhân khử (β-mercaptoethanol) kết hợp chất làm tan (urea, guanidine HCl). Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của liên kết –S–S– và liên kết hydro trong duy trì cấu trúc sợi.

Độ ẩm và pH cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của keratin:

• Ở pH trung tính, keratin giữ độ bền cơ học tối ưu.
• Pha ẩm (humidity) cao làm tăng tính dẻo và đàn hồi của sợi.
• Môi trường kiềm hoặc acid mạnh có thể phá vỡ liên kết hydro, làm giảm độ bền.

Vai trò sinh lý và chuyển hóa

Keratin đóng vai trò cấu trúc chính trong biểu bì da, bảo vệ cơ thể chống mất nước, UV và xâm nhập vi sinh vật. Hệ filament keratin tạo thành mạng lưới dưới màng tế bào, kết nối với desmosome và hemidesmosome, duy trì tính toàn vẹn cơ học của lớp sừng.

Trong nang tóc và móng, keratin cứng chịu lực kéo và bảo vệ cấu trúc sợi khỏi gãy, đồng thời hỗ trợ quá trình mọc và tái tạo mô. Quá trình cập nhật keratin mới và loại bỏ keratin già diễn ra liên tục, đảm bảo mô biểu bì luôn tươi mới và chức năng hàng rào được duy trì.

• Ba lớp keratinocyte chính: sinh (basal), gai (spinous), sừng (cornified).
• Liên kết keratin-desmosome: chịu áp lực cơ học ngang.
• Liên kết keratin-hemidesmosome: neo tế bào xuống màng đáy.

Các rối loạn liên quan đến keratin

Đột biến gen keratin dẫn đến nhiều bệnh da và tóc bẩm sinh. Ví dụ, Epidermolysis bullosa simplex (EBS) do đột biến KRT5 hoặc KRT14 gây phân tách lớp gai và sinh, tạo bọng nước do keratin không kết dính vững chắc.

Pachyonychia congenita (PC) là rối loạn do đột biến KRT6, KRT16 hoặc KRT17, biểu hiện qua móng dày, da sừng lòng bàn chân đau và nang lông viêm. Tình trạng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống vì đau và nguy cơ nhiễm trùng cao.

Bệnh	Gene liên quan	Triệu chứng chính
Epidermolysis bullosa simplex	KRT5, KRT14	Bọng nước da, bỏng rộp
Pachyonychia congenita	KRT6A, KRT16	Móng dày, da sừng bàn chân
Lichen planopilaris	—	Rụng tóc, viêm nang

Lichen planopilaris là bệnh viêm tự miễn tấn công nang tóc, phá hủy keratinocyte và làm rụng tóc. Phác đồ điều trị thường kết hợp corticosteroid tại chỗ và thuốc ức chế miễn dịch.

Phương pháp chiết tách và phân tích

Chiết tách keratin từ tóc, móng hoặc lớp sừng cần phá vỡ cầu disulfide và liên kết hydro. Phương pháp phổ biến sử dụng hỗn hợp urea 8 M, β-mercaptoethanol hoặc dithiothreitol (DTT) đun ở 60–80 °C trong vài giờ.

Sau khi tan, dung dịch keratin được tinh sạch qua sắc ký trao đổi ion và sắc ký gel lọc. Độ tinh sạch kiểm tra bằng điện di SDS–PAGE, xuất hiện dải protein 40–60 kDa đặc trưng. Định lượng protein thực hiện qua assay Bradford hoặc BCA.

• Khử disulfide: β-mercaptoethanol hoặc DTT.
• Chất tan: urea, guanidine HCl.
• Tinh sạch: sắc ký trao đổi ion, perchromatography.

Phân tích cấu trúc keratin sử dụng:

1. Quang phổ huỳnh quang CD: đánh giá tỉ lệ α-helix/β-sheet.
2. FTIR: phát hiện liên kết disulfide và liên kết hydrogen.
3. Kính hiển vi điện tử: quan sát siêu cấu trúc filament.

Ứng dụng công nghiệp và y sinh

Keratin thu hồi từ tóc và móng được gia công thành bột, film hoặc hydrogel dùng trong y sinh để hỗ trợ tái tạo da, vết thương. Nhờ tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy tự nhiên, keratin trở thành vật liệu scaffold lý tưởng cho tế bào gốc và mô da nhân tạo.

Trong công nghiệp mỹ phẩm, keratin hydrolyzed dùng trong dầu gội và kem dưỡng, giúp phục hồi cấu trúc tóc hư tổn và cải thiện độ bóng. Keratin cũng kết hợp với polymer tổng hợp tạo thành vật liệu composite bền cơ học để sản xuất bao bì thân thiện môi trường.

Ứng dụng	Vật liệu keratin	Lợi ích chính
Scaffold tái tạo mô	Hydrogel keratin	Tương thích sinh học, phân hủy
Mỹ phẩm dưỡng tóc	Keratin thủy phân	Phục hồi sợi tóc, tăng bóng
Composite bao bì	Keratin–PLA	Bền cơ học, phân hủy sinh học

Hướng nghiên cứu tương lai

Protein engineering mở ra khả năng tạo ra keratin biến đổi với hàm lượng cysteine điều chỉnh, cải thiện tính cơ học hoặc khả năng phân hủy. Sử dụng CRISPR/Cas9 để chỉnh sửa gen KRT trong tế bào gốc hứa hẹn điều trị rối loạn keratin di truyền.

Nghiên cứu kết hợp keratin với hạt nano (Ag, Au, SiO₂) nhằm tạo scaffold có tính kháng khuẩn và dẫn thuốc nhắm đích. Công nghệ in sinh học (bioprinting) sử dụng bioink keratin giúp tạo mô da phức hợp có cấu trúc và chức năng tương tự da thật.

• Chỉnh sửa gen KRT bằng CRISPR/Cas9.
• Bioink keratin cho in 3D mô da.
• Keratin–nano composite cho ứng dụng dược và y tế.

Tài liệu tham khảo

• UniProt Consortium, “Keratin family,” uniprot.org.
• NCBI Gene, “Keratin gene family in Homo sapiens,” ncbi.nlm.nih.gov.
• PubChem, “Keratin,” pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
• American Academy of Dermatology, “Skin barrier and keratin,” aad.org.
• Journal of Structural Biology, “Molecular structure of keratin filaments,” doi.org/10.1016/j.jsb.2019.05.006.