Β galactosidase là gì? Các nghiên cứu về Β galactosidase

Β-galactosidase là gì?

Β-galactosidase (hay beta-galactosidase) là một enzyme thuộc nhóm hydrolase, có chức năng xúc tác phản ứng thủy phân liên kết glycosidic β(1→4) giữa các phân tử monosaccharide. Ứng dụng phổ biến nhất là phân giải lactose — một loại đường đôi có trong sữa — thành hai đường đơn là glucose và galactose. Enzyme này hiện diện rộng rãi trong sinh vật sống, từ vi khuẩn đến động vật có vú, bao gồm cả con người.

Trong sinh học phân tử, β-galactosidase được biết đến nhiều thông qua gen lacZ nằm trong operon lactose của vi khuẩn Escherichia coli. Đây là một hệ thống mô hình kinh điển giúp hiểu cơ chế điều hòa gen ở sinh vật nhân sơ. Đồng thời, enzyme này cũng là một công cụ quan trọng trong kỹ thuật di truyền và công nghệ sinh học.

Chức năng và cơ chế hoạt động

Chức năng chính của β-galactosidase là thủy phân các disaccharide chứa galactose. Phản ứng thủy phân lactose được mô tả như sau:

$Lactose + H_2O \xrightarrow{\beta-galactosidase} Glucose + Galactose$

Β-galactosidase thực hiện phản ứng này thông qua sự gắn kết đặc hiệu với lactose tại vùng hoạt động. Quá trình xảy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên, enzyme hình thành liên kết cộng hóa trị tạm thời với galactose; sau đó nước thủy phân liên kết này để giải phóng galactose và tái tạo enzyme tự do. Đây là một ví dụ điển hình của cơ chế "ping-pong" trong xúc tác enzyme.

Ngoài ra, β-galactosidase còn có khả năng xúc tác phản ứng chuyển nhóm glycosyl (transglycosylation), tạo ra các oligosaccharide mới — một đặc điểm được khai thác trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất prebiotic như galacto-oligosaccharides (GOS).

Cấu trúc phân tử

Ở vi khuẩn E. coli, β-galactosidase được mã hóa bởi gen lacZ và là một protein dạng tetramer gồm bốn tiểu đơn vị giống hệt nhau, mỗi tiểu đơn vị có khối lượng khoảng 116 kDa. Cấu trúc ba chiều của enzyme đã được xác định bằng tinh thể học tia X, với dữ liệu có thể truy cập tại RCSB Protein Data Bank (PDB ID: 1DP0).

Mỗi tiểu đơn vị gồm nhiều vùng chức năng: vùng gắn cơ chất, vùng xúc tác, vùng tương tác với các tiểu đơn vị khác, và vùng giúp enzyme ổn định trong môi trường tế bào. Cấu trúc này tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt tính enzyme và tính bền vững sinh học cao trong môi trường tế bào vi khuẩn.

Điều hòa gen lacZ và hệ thống operon lactose

Hệ điều hòa operon lactose là một mô hình kinh điển để nghiên cứu cơ chế điều hòa phiên mã ở vi khuẩn. Gen lacZ là một trong ba gen cấu trúc (cùng với lacY và lacA) trong operon này, tất cả được điều khiển bởi cùng một promoter.

Trong điều kiện không có lactose, protein ức chế LacI gắn vào vùng operator, ngăn không cho RNA polymerase phiên mã gen lacZ. Khi lactose hoặc isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG, một chất tương tự lactose) hiện diện, nó gắn vào LacI và làm thay đổi cấu hình không gian, khiến LacI rời khỏi DNA và cho phép phiên mã xảy ra.

Đặc biệt, trong điều kiện có glucose, hệ thống catabolite repression sẽ ức chế operon lactose thông qua mức AMP vòng thấp, làm giảm hoạt tính của phức hợp CAP-cAMP và hạn chế phiên mã gen lacZ. Cơ chế này đảm bảo vi khuẩn ưu tiên sử dụng glucose — nguồn năng lượng dễ hấp thu hơn lactose.

Ứng dụng trong khoa học và công nghệ

1. Chỉ thị gen trong kỹ thuật di truyền

Gen lacZ được dùng làm chỉ thị (reporter gene) để kiểm tra sự biểu hiện gen hoặc xác nhận tái tổ hợp plasmid. Phản ứng giữa β-galactosidase và cơ chất tổng hợp X-gal tạo sản phẩm màu xanh lam, cho phép xác định trực quan vi khuẩn có chứa plasmid tái tổ hợp hay không.

Phương pháp "blue-white screening" này rất phổ biến trong các phòng thí nghiệm sinh học phân tử. Thông tin chi tiết có thể tham khảo tại New England Biolabs: Blue-White Screening Protocol.

2. Sản xuất thực phẩm không lactose

Β-galactosidase thương mại được chiết xuất từ các vi sinh vật như Aspergillus oryzae hoặc Kluyveromyces lactis. Enzyme này được sử dụng để thủy phân lactose trong sữa và các sản phẩm từ sữa, giúp tạo ra thực phẩm phù hợp với người không dung nạp lactose. Một số sản phẩm enzyme phổ biến được cung cấp bởi Sigma-Aldrich và Megazyme.

3. Nghiên cứu quá trình lão hóa tế bào

SA-β-gal (senescence-associated β-galactosidase) là một chỉ thị sinh học phổ biến dùng để xác định tế bào già hóa trong nghiên cứu ung thư và lão hóa. Hoạt tính SA-β-gal cao hơn ở pH 6.0 và chỉ xuất hiện ở tế bào đã bước vào trạng thái không phân chia. Các kit phát hiện SA-β-gal như của R&D Systems được dùng rộng rãi trong nghiên cứu.

Các loại β-galactosidase từ sinh vật khác nhau

Không phải tất cả β-galactosidase đều giống nhau. Enzyme từ vi khuẩn, nấm men, và nấm mốc khác nhau về tối ưu pH, nhiệt độ hoạt động, và độ bền sinh học. Ví dụ:

• E. coli: Hoạt động tối ưu ở pH ~7.0, dùng trong sinh học phân tử.
• Kluyveromyces lactis: Hoạt động tốt ở pH trung tính đến hơi acid, phù hợp cho sữa.
• Aspergillus oryzae: Bền ở pH acid, dùng trong sản phẩm từ sữa lên men.

Việc lựa chọn nguồn β-galactosidase phụ thuộc vào mục đích sử dụng: trong nghiên cứu, trong công nghiệp chế biến thực phẩm, hay trong ứng dụng y học.

Liên kết tham khảo

• NCBI Gene: lacZ (E. coli)
• RCSB Protein Data Bank: Structure of β-galactosidase
• R&D Systems: SA-β-gal Assay
• Sigma-Aldrich: β-galactosidase enzyme
• Megazyme: β-galactosidase Assay Kit