Thiên nhiên có một công thức cố định để tạo ra protein.

Bộ ba chữ cái DNA chuyển thành 20 phân tử gọi là axit amin. Những khối xây dựng cơ bản này sau đó được xâu chuỗi lại với nhau thành một dãy protein khổng lồ tạo nên mọi sinh vật sống. Protein hình thành các mô cơ thể, phục hồi chúng khi bị tổn thương và chỉ đạo các quá trình phức tạp giữ cho hoạt động bên trong cơ thể chúng ta hoạt động như những cỗ máy được bôi dầu tốt.

Nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của protein có thể làm sáng tỏ bệnh tật, thúc đẩy phát triển thuốc và giúp chúng ta hiểu các quá trình sinh học phức tạp, chẳng hạn như các quá trình hoạt động trong não hoặc lão hóa. Protein cũng đang trở nên thiết yếu trong bối cảnh phi sinh học, chẳng hạn như trong sản xuất nhiên liệu sinh học thân thiện với khí hậu.

Tuy nhiên, chỉ với 20 khối xây dựng phân tử, quá trình tiến hóa về cơ bản đã đặt ra giới hạn cho những gì protein có thể làm. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể mở rộng vốn từ vựng của thiên nhiên?

Bằng cách biến đổi các axit amin mới chưa từng thấy trong tự nhiên và kết hợp chúng vào tế bào sống, các protein lạ có thể làm được nhiều hơn thế. Ví dụ, việc bổ sung axit amin tổng hợp vào các loại thuốc dựa trên protein—chẳng hạn như thuốc dành cho liệu pháp miễn dịch—có thể điều chỉnh một chút cấu trúc của chúng để chúng tồn tại lâu hơn trong cơ thể và hiệu quả hơn. Các protein mới cũng mở ra cơ hội cho các phản ứng hóa học mới nhai nhựa hoặc các vật liệu dễ phân hủy hơn với các đặc tính khác nhau.

Nhưng có một vấn đề. Các axit amin lạ không phải lúc nào cũng tương thích với bộ máy của tế bào.

Một nghiên cứu mới in Thiên nhiên, dẫn đầu bởi chuyên gia sinh học tổng hợp, Tiến sĩ Jason Chin tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử của Hội đồng Nghiên cứu Y khoa ở Cambridge, Vương quốc Anh, đã đưa giấc mơ đến gần hơn một chút. Bằng cách sử dụng màn hình phân tử mới được phát triển, họ đã tìm thấy và đưa 4 axit amin lạ vào một loại protein bên trong tế bào vi khuẩn. Là một loại vi khuẩn được yêu thích trong công nghiệp để tạo ra insulin và các loại thuốc dựa trên protein khác, vi khuẩn này sẵn sàng chấp nhận các khối xây dựng kỳ lạ như của chúng.

Tất cả các thành phần mới được thêm vào đều khác với các thành phần tự nhiên của tế bào, nghĩa là việc bổ sung không ảnh hưởng đến chức năng bình thường của tế bào.

Tiến sĩ Chang Liu tại Đại học California, Irvine, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Đó là một thành tựu lớn khi đưa các loại axit amin mới này thành protein”. nói với Khoa học.

Bế tắc tổng hợp

Việc bổ sung các axit amin lạ vào sinh vật sống là một cơn ác mộng.

Hãy hình dung tế bào như một thành phố, với nhiều “quận” thực hiện các chức năng riêng của chúng. Nhân, có hình dạng giống như hạt của quả mơ, chứa bản thiết kế di truyền của chúng ta được ghi trong DNA. Bên ngoài nhân, các nhà máy sản xuất protein gọi là ribosome bị xáo trộn. Trong khi đó, các sứ giả RNA di chuyển giữa hai bên giống như những chuyến tàu cao tốc đưa thông tin di truyền được tạo thành protein.

Giống như DNA, RNA có bốn chữ cái phân tử. Mỗi tổ hợp ba chữ cái tạo thành một “từ” mã hóa một axit amin. Ribosome đọc từng từ và gọi axit amin liên quan đến nhà máy bằng cách sử dụng các phân tử RNA chuyển (tRNA) để bám vào chúng.

Các phân tử tRNA được thiết kế riêng để thu nhận các axit amin cụ thể bằng một loại “keo” protein đặc hiệu cao. Sau khi được đưa vào ribosome, axit amin được tách ra khỏi phân tử mang và khâu thành chuỗi axit amin cuộn tròn thành các hình dạng protein phức tạp.

Rõ ràng, quá trình tiến hóa đã thiết lập nên một hệ thống phức tạp để sản xuất protein. Không có gì đáng ngạc nhiên khi việc thêm các thành phần tổng hợp không hề đơn giản.

Trở lại những năm 1980, các nhà khoa học đã tìm ra cách gắn axit amin tổng hợp vào chất mang bên trong ống nghiệm. Gần đây hơn, họ đã kết hợp axit amin không tự nhiên thành protein bên trong tế bào vi khuẩn bằng cách chiếm đoạt các nhà máy bên trong của chính chúng mà không ảnh hưởng đến chức năng tế bào bình thường.

Ngoài vi khuẩn, Chin và đồng nghiệp trước đây tRNA bị hack và “chất keo” tương ứng của nó – được gọi là tRNA synthetase – để thêm một loại protein lạ vào tế bào não chuột.

Việc khởi động lại bộ máy xây dựng protein của tế bào mà không làm hỏng nó cần có sự cân bằng tinh tế. Tế bào cần các chất mang tRNA đã được sửa đổi để lấy các axit amin mới và kéo chúng đến ribosome. Ribosome sau đó phải nhận ra axit amin tổng hợp là của chính nó và ghép nó thành một protein chức năng. Nếu một trong hai bước gặp trục trặc, hệ thống sinh học được thiết kế sẽ thất bại.

Mở rộng mã di truyền

Nghiên cứu mới tập trung vào bước đầu tiên – tạo ra các chất mang tốt hơn cho các axit amin ngoại lai.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã biến đổi các gen tạo ra protein “keo” và tạo ra hàng triệu phiên bản thay thế tiềm năng. Mỗi biến thể này có khả năng bám vào các khối tòa nhà kỳ lạ.

Để thu hẹp phạm vi, họ chuyển sang sử dụng các phân tử tRNA, chất mang axit amin. Mỗi chất mang tRNA được gắn thẻ với một đoạn mã di truyền gắn với các protein “keo” đột biến giống như lưỡi câu. Nỗ lực này đã tìm thấy 8 cặp đầy hứa hẹn trong số hàng triệu cấu trúc tiềm năng. Một màn hình khác tập trung vào một nhóm protein “keo” có thể bám vào nhiều loại khối xây dựng protein nhân tạo — bao gồm cả những loại rất khác so với protein tự nhiên.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chèn các gen mã hóa các protein này vào Escherichia coli tế bào vi khuẩn, một phương pháp được yêu thích để thử nghiệm các công thức sinh học tổng hợp.

Nhìn chung, 8 protein “keo” đã nạp thành công các axit amin ngoại lai vào bộ máy tạo protein tự nhiên của vi khuẩn. Nhiều khối xây dựng tổng hợp có cấu trúc xương sống kỳ lạ thường không tương thích với các ribosome tự nhiên. Nhưng với sự trợ giúp của tRNA được thiết kế và protein “keo”, các ribosome đã kết hợp bốn axit amin lạ thành protein mới.

Nhóm nghiên cứu giải thích trong bài báo rằng các kết quả “mở rộng phạm vi hóa học của mã di truyền” để tạo ra các loại vật liệu mới.

Một thế giới hoàn toàn mới

Các nhà khoa học đã tìm thấy hàng trăm axit amin kỳ lạ. Các mô hình AI như AlphaFold hoặc RoseTTAFold và các biến thể của chúng có khả năng sinh sản nhiều hơn nữa. Việc tìm kiếm chất mang và protein “keo” phù hợp luôn là một trở ngại.

Nghiên cứu mới thiết lập một phương pháp để tăng tốc độ tìm kiếm các protein thiết kế mới có đặc tính khác thường. Hiện tại, phương pháp này chỉ có thể kết hợp bốn axit amin tổng hợp. Nhưng các nhà khoa học đã hình dung ra cách sử dụng chúng.

Thuốc protein được làm từ các axit amin kỳ lạ này có hình dạng khác với các loại thuốc tự nhiên, bảo vệ chúng khỏi bị phân hủy bên trong cơ thể. Điều này có nghĩa là chúng có tác dụng lâu hơn và giảm nhu cầu dùng nhiều liều. Một hệ thống tương tự có thể tạo ra các vật liệu mới như nhựa phân hủy sinh học, tương tự như protein, cũng dựa vào việc ghép các thành phần riêng lẻ lại với nhau.

Hiện tại, công nghệ này dựa vào khả năng chịu đựng các axit amin lạ của ribosome – điều này có thể không thể đoán trước được. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu muốn tự sửa đổi ribosome để dung nạp tốt hơn các axit amin lạ và chất mang của chúng. Họ cũng đang tìm cách tạo ra các vật liệu giống protein được làm hoàn toàn từ các axit amin tổng hợp, có thể tăng cường chức năng của các mô sống.

“Nếu bạn có thể mã hóa tập hợp các khối xây dựng mở rộng giống như cách chúng ta mã hóa protein, thì chúng ta có thể biến tế bào thành nhà máy sống để mã hóa quá trình tổng hợp polyme cho mọi thứ, từ thuốc mới đến vật liệu,” nói Chin trong một cuộc phỏng vấn trước đó. “Đó là một lĩnh vực siêu thú vị.”

Ảnh: Viện Quốc gia về Dị ứng và Bệnh truyền nhiễm, Viện Y tế Quốc gia

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/