Tôi cảm thấy thất vọng mỗi khi lấy một chiếc găng tay và nhận ra rằng nó dành cho tay đối diện.
Nhưng đối với các nhà sinh học tổng hợp, sự khó chịu này là một điều kỳ quặc sinh học có thể giúp biến đổi y học. Hãy nghĩ đến những loại thuốc kéo dài có thể uống mỗi tháng một lần thay vì ba lần một ngày. Hoặc các công cụ chẩn đoán dựa trên phân tử sinh học tồn tại bên trong cơ thể để theo dõi thận trọng các bệnh ung thư mới nổi hoặc các bệnh mãn tính khác mà không sợ bị quá trình trao đổi chất của cơ thể loại bỏ sớm.
Táo bạo hơn nữa, “chiều gương” của sinh học có thể là bàn đạp để thiết kế các dạng sống tổng hợp tồn tại bên ngoài tự nhiên, nhưng là sự phản chiếu theo nghĩa đen của chính chúng ta. Nói lại: xây dựng một phiên bản hình ảnh phản chiếu của sinh học có nghĩa là viết lại hệ điều hành cơ bản của sự sống.
Âm thanh một chút quá khoa học viễn tưởng? Hãy để tôi giải thích. Tương tự như việc tay trái của chúng ta không thể đeo găng tay bên phải, các khối xây dựng của sự sống—DNA, RNA và protein—được khắc vào các cấu trúc 3D cụ thể. Lật chúng xung quanh, như thể được phản chiếu bởi một tấm gương, và chúng không thể hoạt động bên trong cơ thể được nữa. Các nhà khoa học vẫn chưa chắc tại sao tự nhiên chỉ chọn một hình trong số hai hình ảnh phản chiếu tiềm năng. Nhưng họ đã sẵn sàng để thử nghiệm nó.
Một nghiên cứu mới in Khoa học đã đạt được những bước tiến bằng cách biến các bộ phận của bộ máy tạo protein của cơ thể thành hình ảnh phản chiếu của nó. Ở trung tâm là một cấu trúc gọi là ribosome, cấu trúc này tiếp nhận mã di truyền và dịch nó thành các axit amin—các khối Lego cho tất cả các protein. Riboxom là một cấu trúc tế bào mang tính biểu tượng, được hợp nhất từ hai thành phần phân tử chính: RNA và protein.
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Ting Zhu, một người đam mê sự sống trong gương lâu năm tại Đại học Westlake ở Hàng Châu, Trung Quốc, đã giải quyết được phần RNA của câu đố. Họ đã thiết kế lại một protein đặc biệt xây dựng XNUMX/XNUMX cấu trúc sao cho các thành phần RNA thu được được xây dựng ở dạng gương.
Những cấu trúc này chưa có khả năng bơm ra các protein “được phản xạ”. Nhưng một số thử nghiệm đã phát hiện ra rằng các phân tử được tổng hợp có khả năng chống lại các protein “dọn dẹp nhà cửa” bình thường của tế bào vốn tiêu hóa các phiên bản tự nhiên của cùng loại protein đó.
“Từ góc độ công nghệ sinh học, rất nhiều ứng dụng sẽ được kích hoạt bằng cách có một ribosome phản chiếu hình ảnh,” nói Tiến sĩ Jonathan Sczepansk tại Đại học Texas A&M, người không tham gia vào công việc. “Đó là một bước tiến thực sự to lớn cho lĩnh vực sinh học hình ảnh phản chiếu.”
Tủ tò mò (Sinh học)
Câu chuyện về sở thích tò mò của cuộc sống đối với một số cấu trúc bắt đầu vào năm 1848 với Louis Pasteur. Bạn có thể đã nghe nói về nhà hóa học người Pháp—cha đẻ của vắc-xin, quá trình lên men bằng vi sinh vật và phương pháp thanh trùng mà vẫn giữ cho sữa của chúng ta an toàn để uống. Khi nhìn trộm qua các tráp rượu của mình, Pasteur đã tìm thấy các trầm tích kết tinh của một phân tử trêu ngươi. Mặc dù chúng có hình dạng và tính chất hóa học giống nhau, nhưng chúng tạo thành hình ảnh phản chiếu của nhau. Một cấu hình được đặt tên là “L” cho lá, hoặc trái trong tiếng Latinh; chữ “D” khác cho ở bên phải, hoặc đúng.
Các nhà khoa học sau đó phát hiện ra rằng các phân tử dạng L và D tồn tại như một mã cơ sở cho sinh học. Các khối xây dựng của DNA, bản thiết kế di truyền của chúng ta, tự nhiên ở dạng D. Ngược lại, các axit amin thường quay về phía bên trái.
Sự thiên vị này bắt nguồn sâu xa trong một nguyên lý trung tâm của sinh học. DNA được dịch mã thành RNA và sau đó được chuyển đến ribosome để tiếp tục xây dựng thành protein thực hiện các quá trình thiết yếu cho sự sống. Nhưng đây là mấu chốt: ở mỗi bước, bộ máy của tế bào bơm ra các phân tử của một sự sang trọng. Các mô và cơ quan của chúng ta được lập trình cho một thế giới bất đối xứng—tức là một thế giới mà đối tượng được đề cập không thể được đặt chồng lên hình ảnh phản chiếu của nó, ngay cả khi nó được xoay.
Một vài năm trước, các nhà khoa học đã hỏi: điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể đặt một tấm gương nhân tạo vào hệ thống này và phá vỡ nó thành một chiều tổng hợp mới của sự sống được tạo ra từ đối cực đối lập?
Nhìn qua kính
Nói một cách nhẹ nhàng, viết lại cuộc đời thành một phiên bản đối lập với chính nó là một nhiệm vụ khó khăn.
Nghiên cứu mới tập trung vào một phần “phản chiếu” gương của ribosome. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng có thể sao chép DNA được phản chiếu qua hình ảnh và thậm chí dịch mã nó thành RNA phản chiếu thông tin. Các tác giả giải thích: “Bước tiếp theo là thực hiện dịch mã hình ảnh phản chiếu,” từ RNA sang protein.
Đó là một ngọn đồi cao để leo lên. Riboxom là một cấu trúc khổng lồ với khoảng 2,900 khối xây dựng ký tự RNA và hơn 50 loại protein khác nhau. Các nhà hóa học trước đây đã có thể tổng hợp hình ảnh phản chiếu của RNA thành chuỗi dài. Nhưng nó tẻ nhạt, dễ bị lỗi và chỉ có thể đạt tối đa 70 chữ cái.
Nếu hóa học nhân tạo không hoạt động, tại sao không khai thác thiên nhiên? Trong các tế bào, các chữ cái RNA thường được ghép lại với nhau thành chuỗi dữ liệu sinh học bằng một loại enzyme—một loại protein gọi là RNA polymerase. Về lý thuyết, “phản chiếu” enzyme cũng có thể tạo ra một phiên bản RNA phản chiếu để tạo ra ribosome. Trở lại trong 2019, Nhóm của Zhu đã thử nghiệm ý tưởng này bằng cách “lật” một protein đặc biệt khỏi virus. Nó hoạt động - nhưng nó rất chậm và các phân tử thu được có rất nhiều lỗi.
Thay vì giải quyết toàn bộ bộ máy tổng hợp protein, các tác giả đã tập trung vào một thành viên quan trọng: T7 RNA polymerase. Con cưng của lĩnh vực sinh học tổng hợp, enzyme này là một công cụ đắc lực có thể tạo ra các chuỗi RNA dài—bao gồm cả những chuỗi tạo nên các ribosome xây dựng protein—với hiệu quả cao.
Sử dụng phân tích tia X, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng T7 có thể được chia thành ba phân đoạn, mỗi phân đoạn đều nằm trong khả năng tổng hợp truyền thống. Bằng cách tổng hợp từng phân đoạn—một phiên bản phản chiếu của các đối tác tự nhiên của chúng—cấu trúc cuối cùng tự lắp ráp thành một phiên bản phản chiếu của enzyme T7.
Sczepanski cho biết: “Đó là một nỗ lực to lớn để tổng hợp một loại protein có kích thước như vậy.
Vào ẩn số
Có gương T7 trong tay, nhóm tiếp theo bắt đầu xây dựng một ribosome lộn ngược. Nhà máy sản xuất protein được làm từ ba đoạn RNA chính. Khi được cung cấp các phiên bản phản chiếu của hướng dẫn DNA cho các thành phần đó, enzyme T7 đã được thiết kế đã vui vẻ xây dựng cả ba phân đoạn trong một lần. Các thử nghiệm bổ sung cho thấy enzyme lật gương có tỷ lệ lỗi tương tự như đối tác tự nhiên của nó.
Hơn nữa, các phân tử được bơm ra bởi T7 được phản chiếu qua gương—các ARN gương—trong tế bào ổn định hơn nhiều so với các phân tử được tạo ra tự nhiên. Đó là một lợi ích tiềm năng đối với vắc-xin hoặc dược phẩm dựa trên RNA, thường dễ dàng được tiêu hóa bên trong cơ thể trước khi có hiệu lực. Bởi vì các phân tử gương là xa lạ với các quá trình sinh học của cơ thể, nên chúng có thể tồn tại lâu hơn, có khả năng làm tăng tác dụng của vắc-xin và thuốc dựa trên RNA hoặc protein.
Đó là một con đường dài phía trước. Hiện tại, nhóm nghiên cứu vẫn chưa xây dựng được một ribosome nhân bản đầy đủ. Các RNA chiếm khoảng hai phần ba cấu trúc, với hơn 50 protein còn lại. Bản thân việc bổ sung các thành phần protein thông qua kỹ thuật di truyền đã là một kỳ tích; liệu chúng có lắp ráp với RNA được nhân đôi thành các ribosome nhân bản có chức năng hay không vẫn chưa được biết rõ.
Nhưng nhóm nghiên cứu đã để mắt đến giải thưởng: “Việc thực hiện dịch chuyển hình ảnh phản chiếu sẽ hoàn thiện giáo điều trung tâm hình ảnh phản chiếu của sinh học phân tử,” họ viết.
