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

Định nghĩa và lịch sử nghiên cứu Urease

Urease (EC 3.5.1.5) là enzyme xúc tác phản ứng thủy phân urea thành ammonia (NH₃) và carbon dioxide (CO₂). Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong chu trình ni-tơ của vi sinh vật và thực vật, giúp tái chế nitơ hữu cơ thành dạng có thể sử dụng cho sinh trưởng. Urease hoạt động nhờ trung tâm kim loại chứa ion nickel (Ni²⁺), điều đặc trưng cho họ enzyme này.

Phát hiện mang tính bước ngoặt xảy ra năm 1926 khi James B. Sumner kết tinh thành công urease từ đậu jack-bean, chứng minh rằng enzyme là một loại protein thuần túy. Phát hiện này giúp Sumner nhận giải Nobel Hóa học năm 1946 và mở ra kỷ nguyên sinh hóa hiện đại, nơi enzyme có thể được tinh sạch, phân tích và ứng dụng rộng rãi Nobel Prize.

• Đầu thế kỷ 20: Nhận biết hoạt tính urease trong các loại hạt đậu.
• 1926: Kết tinh urease thành công, xác định bản chất protein của enzyme.
• 1946: Trao giải Nobel Hóa học cho James B. Sumner.

Cấu trúc và cơ chế tác động

Cấu trúc không gian của urease thường là homohexamer (ở vi khuẩn) hoặc dimer của trimers (ở thực vật), mỗi đơn vị chứa hai ion Ni²⁺ trong trung tâm hoạt động. Ion nickel được giữ cố định bằng bốn ligand từ gốc amino acid (His, Asp, Lys) và một phân tử nước, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tấn công nucleophile lên phân tử urea.

Cơ chế xúc tác trải qua hai bước chính: đầu tiên, urea phối hợp vào trung tâm Ni²⁺, sau đó một phân tử nước được hoạt hóa tấn công cacbon của urea, hình thành ion carbamate trung gian. Carbamate nhanh chóng phân hủy thành NH₃ và CO₂, hoàn thành chu trình xúc tác.

$\mathrm{(NH_2)_2CO + H_2O \xrightarrow[\text{Urease}]{Ni^{2+}} CO_2 + 2NH_3}$

Vai trò của các amino acid xung quanh trung tâm hoạt động rất quan trọng: His catalyzes proton transfer, Asp ổn định trạng thái trung gian, Lys tạo môi trường thuận lợi cho liên kết hydro. Sự phối hợp chính xác giữa ion kim loại và các residue giúp urease đạt vận tốc phản ứng cao, V_max thường lên tới hàng ngàn mol sản phẩm/giây trên mỗi mol enzyme.

Phân loại và nguồn gốc sinh học

Urease có mặt rộng rãi trong tự nhiên, được phân loại theo nguồn gốc sinh học:

Nguồn gốc	Ví dụ loài	Đặc điểm chính
Vi khuẩn	Helicobacter pylori, Proteus mirabilis	Homohexamer, tính kháng acid ở H. pylori
Thực vật	Canavalia ensiformis (đậu jack-bean), Glycine max (đậu nành)	Dimer của trimers, thường glycosyl hóa
Nấm	Cryptococcus neoformans	Tham gia chuyển hóa nitơ và độc lực

Gen mã hóa urease chủ yếu gồm các gene ureA, ureB (tiểu đơn vị enzyme) và ureC (subunit lớn chứa trung tâm Ni²⁺). Ở vi khuẩn, cụm gene này thường nằm trong operon ureABC và được điều hòa bởi nồng độ NH₄⁺ và pH môi trường NCBI ureC.

• Operon ureABC: đồng điều hòa biểu hiện để tiết kiệm năng lượng.
• Sự khác biệt về glycosyl hóa: tăng độ bền enzyme trong thực vật.
• Ứng dụng di truyền: chuyển gene urease vào vi sinh vật khác để xử lý môi trường.

Điều kiện hoạt động và yếu tố ảnh hưởng

Độ pH tối ưu cho hoạt động của urease thường nằm trong khoảng 7.0–8.5, phù hợp với môi trường tính kiềm nhẹ. Ở pH thấp hơn 6.0, enzyme bị làm mất proton quan trọng ở vị trí trung tâm, dẫn đến giảm hoạt tính hoặc bất hoạt hoàn toàn. Nhiệt độ làm việc lý tưởng dao động 37–60 °C, tùy nguồn gốc enzyme và mục đích ứng dụng.

Các ion kim loại khác ngoài Ni²⁺ như Co²⁺ hay Zn²⁺ có thể thế chỗ nickel nhưng thường làm giảm hiệu suất xúc tác. Ngược lại, chất ức chế như acetohydroxamic acid (AHA) hay Hg²⁺ gắn mạnh vào trung tâm, ngăn cản liên kết urea và có thể ứng dụng trong y học để ức chế urease của Helicobacter pylori.

• Ảnh hưởng pH: giảm mạnh hoạt tính dưới pH 6.0 và trên pH 9.0.
• Ảnh hưởng nhiệt độ: hoạt tính tối ưu 50–60 °C nhưng không bền cao ở nhiệt độ >70 °C.
• Ức chế cạnh tranh: AHA, phosphate và borate liên kết vào trung tâm Ni²⁺.

Môi trường ion, nồng độ NaCl và các chất hoạt hóa protein (cofactors) cũng điều chỉnh cấu hình enzyme và tốc độ phản ứng. Điều chỉnh các thông số này là bước quan trọng trong quy trình ứng dụng urease cho xử lý nước thải hay tổng hợp sinh học.

Phương pháp định lượng và đo hoạt tính

Hoạt tính urease thường được đánh giá thông qua tốc độ sản xuất ammonia (NH₃) hoặc carbon dioxide (CO₂) từ urea. Phương pháp Berthelot (phenol-hypochlorite) là tiêu chuẩn vàng để định lượng NH₃: ammonia phản ứng với phenol và hypochlorite trong môi trường kiềm, tạo phức indophenol xanh có hấp thu mạnh tại bước sóng 630 nm. Độ nhạy của phương pháp đạt ngưỡng μg NH₃, phù hợp cho cả mẫu enzyme tinh khiết và dịch tế bào.

Phương pháp đo CO₂ bằng sắc ký khí (GC) hoặc điện cực CO₂-selective electrode cũng được ứng dụng khi yêu cầu tính chính xác cao. Trong sắc ký khí, CO₂ được tách và định lượng dựa trên diện tích pic, với giới hạn phát hiện ppm. Điện cực CO₂ cung cấp kết quả nhanh, trực tiếp, nhưng yêu cầu hiệu chuẩn thường xuyên với dung dịch đệm chuẩn.

• Phương pháp Berthelot: nhạy, chi phí thấp nhưng thao tác nhiều bước.
• Sắc ký khí: độ chính xác cao, phù hợp nghiên cứu cơ chế, phân tích đồng thời sản phẩm phụ.
• Điện cực CO₂: nhanh, tiện dụng cho ứng dụng hiện trường nhưng cần bảo trì định kỳ.

Kit thương mại đo hoạt tính urease thường dựa trên nguyên lý màu sắc hoặc huỳnh quang, giảm tối đa thao tác chuẩn bị. Phương pháp sắc ký mao dẫn (capillary electrophoresis – CE) gần đây cho phép tách đồng thời ưa khí và ưa nước, phân tích nhanh chỉ trong vài phút, phù hợp cho screening thư viện chất ức chế hoặc khảo sát biến thể enzyme.

Ứng dụng công nghiệp và môi trường

Trong xử lý nước thải công nghiệp và nông nghiệp, urease được sử dụng để chuyển hóa urea thành NH₃ và CO₂, phục vụ cho quá trình loại bỏ nitơ qua nitrat hóa-khử nitrat. Quá trình ureolytic precipitation (MICP) dựa trên urease thúc đẩy kết tủa carbonat canxi (CaCO₃), cải thiện độ bền cơ học của đất, ổn định nền móng và sửa chữa vi vết bê tông.

Ứng dụng MICP gồm hai bước chính: urease phân giải urea sinh NH₃, làm tăng pH cục bộ; ion Ca²⁺ có sẵn kết hợp với CO₃²⁻ sinh CaCO₃ lắng đọng. Kết tủa này lấp đầy kẽ hở, tạo khối liên kết chắc chắn. Công nghệ được triển khai trong xây dựng, xử lý ô nhiễm kim loại nặng, và lưu trữ carbonat bền vững.

• Giảm xói mòn đất: ổn định các hạt cát và sỏi.
• Sửa chữa vết nứt: tiêm dung dịch urease và CaCl₂ vào vết nứt bê tông.
• Xử lý nước thải: giảm nitơ tổng số, cải thiện chất lượng nước đầu ra.

Trong sản xuất phân bón urease-chậm giải phóng (urease inhibitor enhanced fertilizer), urease được phối trộn với các chất ức chế (ví dụ N-(n-butyl) thiophosphoric triamide – NBPT) để ngăn ngừa phân hủy urea quá nhanh, giúp tăng hiệu suất sử dụng nitơ, giảm thất thoát NH₃ vào khí quyển và ô nhiễm nitrat trong nước ngầm.

Vai trò trong y sinh và bệnh học

Urease của Helicobacter pylori là yếu tố độc lực chính giúp vi khuẩn khởi phát và duy trì nhiễm trùng dạ dày. Enzyme phân giải urea tạo NH₃ trung hòa acid dạ dày, bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường axit khắc nghiệt, đồng thời tăng pH cục bộ gây tổn thương niêm mạc và loét dạ dày.

Hoạt tính urease được định lượng trong dịch sinh thiết hoặc hơi thở (urea breath test): người bệnh uống giải pháp chứa urea gắn đồng vị C¹⁴ hoặc C¹³, nếu H. pylori hiện diện, urease phân giải urea giải phóng CO₂ chứa đồng vị, được phát hiện qua hơi thở. Phương pháp này có độ nhạy và độ đặc hiệu >90 %, giúp chẩn đoán và theo dõi điều trị.

• Urea breath test: nhanh, không xâm lấn, theo dõi hiệu quả điều trị.
• Rapid urease test (RUT): thử nhanh trên sinh thiết dạ dày, kết quả trong 1–3 giờ.
• ELISA kháng urease: phát hiện kháng thể IgG trong huyết thanh, hỗ trợ chẩn đoán nhiễm H. pylori.

Trong bệnh thận ứ đọng, urease từ vi khuẩn Proteus spp. gây hình thành sỏi struvite (MgNH₄PO₄·6H₂O) trong đường tiết niệu. Sỏi này thường lớn nhanh, gây tắc nghẽn đường tiết niệu, nhiễm trùng và tổn thương thận. Kiểm soát urease tại ổ nhiễm trùng là chiến lược chính trong phòng ngừa và điều trị sỏi thận dạng struvite.

Chất ức chế và phát triển thuốc

Chất ức chế urease được phân loại theo cơ chế tương tác với trung tâm hoạt động:

• Ức chế cạnh tranh: hydroxamic acids (acetohydroxamic acid – AHA) gắn vào Ni²⁺ thay thế urea.
• Ức chế không cạnh tranh: phosphoramidates liên kết vào amino acid quanh trung tâm, làm mất cấu hình xúc tác.
• Ức chế kỵ nước: boronic acids hình thành phức bền với OH⁻ trung tâm.

Thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc tinh thể của urease (PDB:1EJX) kết hợp mô phỏng docking giúp tối ưu hóa ligand, tăng ái lực và chọn lọc cao đối với urease của H. pylori, giảm tác dụng phụ. Nhiều hợp chất dẫn xuất từ thiên nhiên như flavonoid, alkaloid cũng thể hiện tác dụng ức chế urease, mở hướng phát triển dược liệu chống loét dạ dày.

Chất ức chế	Cơ chế	Ứng dụng
AHA	Cạnh tranh với urea	Điều trị nhiễm H. pylori
NBPT	Ức chế urease nông nghiệp	Phân bón chậm giải phóng
Hydroxamic acids	Liên kết Ni²⁺	Nghiên cứu dược phẩm

Tiềm năng nghiên cứu tương lai

Công nghệ enzyme engineering và directed evolution hứa hẹn nâng cao độ bền và hoạt tính của urease dưới điều kiện khắc nghiệt (pH rộng, nhiệt độ cao), mở rộng ứng dụng trong công nghiệp hóa học xanh và xử lý môi trường. Kỹ thuật CRISPR/Cas9 cho phép chỉnh sửa trực tiếp gen urease trong vi sinh vật chủ để tối ưu biểu hiện và kiểm soát hoạt tính.

Cảm biến sinh học dựa trên urease kết hợp vật liệu nano (graphene, gold nanoparticles) phát triển các hệ thống phát hiện urea, amoniac và khí độc nhanh nhạy, phục vụ an toàn thực phẩm, y tế và giám sát chất lượng môi trường. Đa dạng hóa nguồn gene urease từ các môi trường cực (địa nhiệt, nước mặn) cung cấp tài nguyên enzyme có cấu trúc mới, chịu mặn, chịu nhiệt cao.

• Protein engineering: site-directed mutagenesis cho enzyme hoạt động ở pH thấp.
• Sinh học tổng hợp: chỉnh sửa operon urease theo thiết kế để sản xuất khối lượng cao.
• Cảm biến môi trường: tích hợp với IoT, giám sát tự động nồng độ amoniac trong không khí và nước.

Danh mục tài liệu tham khảo

• Mobley, H.L.T., Hausinger, R.P. (1989). “Microbial ureases: significance, regulation, and molecular characterization.” _Microbiological Reviews_, 53(1), 85–108. https://doi.org/10.1128/MMBR.53.1.85-108.1989
• Verma, D., Kumar, S. (2019). “Applications of soil urease in biocementation and environmental engineering.” _Journal of Environmental Management_, 231, 89–97. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.09.019
• McDermott, C. et al. (2016). “Directed evolution of urease for industrial applications.” _Biotechnology and Bioengineering_, 113(8), 1683–1692. https://doi.org/10.1002/bit.25959
• Sachdeva, P. et al. (2021). “Advances in urease inhibitor design targeting Helicobacter pylori.” _Journal of Medicinal Chemistry_, 64(5), 2345–2360. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c01978
• U.S. Environmental Protection Agency (EPA). “Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP).” EPA, https://www.epa.gov/water-research