Làm cách nào để bạn nắm bắt một quá trình tế bào diễn ra trong chớp mắt? Các nhà hóa sinh tại MIT đã nghĩ ra một cách để bẫy và hình dung một loại enzyme quan trọng tại thời điểm nó hoạt động - thông báo cho quá trình phát triển thuốc và tiết lộ cách hệ thống sinh học lưu trữ và truyền năng lượng.

Enzyme, ribonucleotide reductase (RNR), chịu trách nhiệm chuyển đổi các khối cấu tạo RNA thành các khối cấu trúc DNA, để tạo ra các sợi DNA mới và sửa chữa các sợi cũ. RNR là mục tiêu cho các liệu pháp chống ung thư, cũng như các loại thuốc điều trị các bệnh do vi rút như HIV / AIDS. Nhưng trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã phải vật lộn để xác định cách thức kích hoạt enzyme vì nó xảy ra quá nhanh. Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã giữ được enzyme ở trạng thái hoạt động và quan sát cách enzyme thay đổi hình dạng, đưa hai tiểu đơn vị của nó lại gần nhau hơn và truyền năng lượng cần thiết để tạo ra các khối xây dựng cho quá trình lắp ráp DNA.

Trước khi có nghiên cứu này, nhiều người tin rằng hai tiểu đơn vị của RNR kết hợp với nhau và phù hợp với sự đối xứng hoàn hảo, giống như chìa khóa thành ổ khóa. Catherine Drennan, giáo sư hóa học và sinh học của MIT, đồng thời là điều tra viên của Viện Y khoa Howard Hughes cho biết: “Trong 30 năm, đó là những gì chúng tôi nghĩ. “Nhưng bây giờ, chúng ta có thể thấy phong trào thanh lịch hơn nhiều. Enzyme thực sự đang thực hiện một 'vũ điệu hình vuông phân tử', nơi các phần khác nhau của protein bám vào và xoay quanh các phần khác. Nó thực sự khá đẹp. ”

Drennan và JoAnne Stubbe, giáo sư danh dự về hóa học và sinh học tại MIT, là các tác giả chính của nghiên cứu, xuất hiện trên tạp chí Khoa học vào ngày 26 tháng 19. Cựu sinh viên tốt nghiệp Gyunghoon “Kenny” Kang PhD 'XNUMX là tác giả chính.

Tất cả các protein, bao gồm RNR, được cấu tạo từ các đơn vị cơ bản được gọi là axit amin. Trong hơn một thập kỷ, phòng thí nghiệm của Stubbe đã thử nghiệm việc thay thế các axit amin tự nhiên của RNR bằng các axit amin tổng hợp. Khi làm như vậy, phòng thí nghiệm nhận ra rằng họ có thể bẫy enzyme ở trạng thái hoạt động và làm chậm quá trình trở lại bình thường. Tuy nhiên, phải đến khi phòng thí nghiệm Drennan tiếp cận được với một tiến bộ công nghệ quan trọng - kính hiển vi điện tử lạnh - thì họ mới có thể chụp được hình ảnh có độ phân giải cao của các enzym “bị mắc kẹt” này từ phòng thí nghiệm Stubbe và xem xét kỹ hơn.

Drennan nói: “Chúng tôi thực sự chưa thực hiện bất kỳ kính hiển vi điện tử lạnh nào vào thời điểm mà chúng tôi bắt đầu cố gắng làm điều không thể: đưa cấu trúc của RNR ở trạng thái hoạt động của nó. “Tôi không thể tin rằng nó đã hoạt động; Tôi vẫn đang tự nhéo mình ”.

Sự kết hợp của các kỹ thuật này cho phép nhóm nghiên cứu hình dung được vũ điệu phân tử phức tạp cho phép enzyme vận chuyển “hỏa lực” xúc tác từ tiểu đơn vị này sang tiểu đơn vị khác, để tạo ra các khối xây dựng DNA. Hỏa lực này được tạo ra từ một điện tử chưa ghép đôi (một gốc) có phản ứng cao, phải được kiểm soát cẩn thận để tránh làm hỏng enzym. 

Theo Drennan, nhóm nghiên cứu “muốn xem cách RNR thực hiện tương đương với việc chơi với lửa mà không bị bỏng.”

Tác giả đầu tiên Kang cho biết việc làm chậm quá trình chuyển giao gốc cho phép họ quan sát các phần của enzym mà trước đây chưa ai có thể nhìn thấy đầy đủ. Ông nói: “Trước khi có nghiên cứu này, chúng tôi đã biết vũ điệu phân tử này đang diễn ra, nhưng chúng tôi chưa bao giờ thấy vũ điệu này hoạt động. “Nhưng bây giờ chúng tôi đã có cấu trúc cho RNR ở trạng thái hoạt động, chúng tôi có ý tưởng tốt hơn nhiều về cách các thành phần khác nhau của enzyme đang di chuyển và tương tác để chuyển gốc qua một khoảng cách xa.”

Mặc dù vũ điệu phân tử này mang các tiểu đơn vị lại gần nhau, nhưng vẫn có khoảng cách đáng kể giữa chúng: Gốc phải di chuyển 35-40 angstrom từ tiểu đơn vị thứ nhất đến tiểu đơn vị thứ hai. Theo Drennan, hành trình này xa hơn khoảng 10 lần so với chuyển dịch gốc trung bình. Sau đó, gốc phải quay trở lại vị trí ban đầu của nó và được lưu trữ an toàn, tất cả trong vòng một phần giây trước khi enzym trở lại hình dạng bình thường.

Bởi vì RNR là mục tiêu của các loại thuốc điều trị ung thư và một số loại virus nhất định, việc biết cấu trúc trạng thái hoạt động của nó có thể giúp các nhà nghiên cứu đưa ra phương pháp điều trị hiệu quả hơn. Hiểu được trạng thái hoạt động của enzyme cũng có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về vận chuyển điện tử sinh học cho các ứng dụng như nhiên liệu sinh học. Drennan và Kang hy vọng nghiên cứu của họ sẽ khuyến khích những người khác nắm bắt các sự kiện di động thoáng qua mà trước đây khó quan sát được.

Drennan nói: “Chúng ta có thể cần phải đánh giá lại những kết quả trong nhiều thập kỷ trong quá khứ. “Nghiên cứu này có thể mở ra nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời; nó giống như một sự khởi đầu hơn là một sự kết thúc. "

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Viện Y tế Quốc gia, Học bổng Sau đại học David H. Koch và Viện Y khoa Howard Hughes.