Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Một cặp base tổng hợp nhân tạo, lần đầu tiên được công bố là năm 2014, giờ đây có thể không chỉ sao chép bên trong tế bào sống, mà còn có thể mã hóa và tạo ra protein chứa các amino acid không điển hình, theo một báo cáo được đăng trên Nature hôm 29 tháng 11. Theo các tác giả, tiến bộ này đặt ra giai đoạn cho các nhà hóa sinh học tạo ra các protein với các dạng và chức năng hoàn toàn mới mẻ so với các protein được tạo ra bởi các sinh vật tự nhiên.
“Đây đúng là một bà báo tuyệt vời,” theo lời nhà hóa học và kỹ thuật sinh học Michael Jewett tại Đại học Northwestern, người không tham gia vào nghiên cứu này. “Điều đặc biệt ở công trình này là các tác giả đã nắm bắt được toàn bộ dòng thông tin của học thuyết trung tâm – việc lưu giữ, giải mã thông tin, và, cuối cùng là dịch sang một đầu ra là sản phẩm chức năng – sử dụng bảng chữ cái di truyền mở rộng này.
Trong tất cả các dạng sống trên Trái Đất, thông tin di truyền tạo nên bởi bảng chữ cái 4 ký tự – các nucleotides A, T, G, C và chúng hình thành các cặp base G-C, A-T. Nhưng 3 năm trước, giáo sư hóa học Floyd Romesberg của Viện nghiên cứu Scripps tại Califoria và cộng sự đã mở rộng bảng chữ cái này, báo cáo về việc sáng tạo thêm các nucleotides nhân tạo, X và Y, chúng có thể bắt cặp trong DNA và được sao chép bên trong một tế bào vi khuẩn sống. Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Từ điểm cốt lõi này, Romesberg giải thích, tham vọng của nhóm ông là “có được các phân tử thực hiện chức năng cùng với polymerase và với ribosome, trong một tế bào” – tức là, vận hành với bộ máy nội bào để phiên mã DNA thành RNA và dịch RNA thành protein. Giờ đây, tham vọng đó có thể đạt được.
ADAPTED FROM AN IMAGE BY DENNIS SUN, MEZARQUE DESIGN
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đưa cặp base nhân tạo, X-Y, vào gen mã hóa protein phát quang màu xanh (GFP) – chuyển một codon tại một phần không quá quan trọng của gen từ TAC (mã hóa amino acid tyrosine) thành AXC. Tiếp đó, họ đã tạo ra một RNA vận chuyển chứa codon đối mã tương ứng, GYT, và nó mang một amino acid không có trong tự nhiên, được gọi là PrK – một amino acid được cung cấp bởi nhà nghiên cứu, vốn rất hiếm khi tìm thấy trong bất cứ protein tự nhiên nào. Nhóm nghiên cứ sau đó đã biểu hiện hai gen này trong vi khuẩn đã chuyên biệt hóa có thể hỗ trợ việc giữ lại các nucleotide nhân tạo bên trong DNA của nó – các sinh vật được gọi là bán tổng hợp. Xem kìa! Các vi sinh vật đã tạo ra protein GFP chứa amino acid không điển hình.
“Đây thực sự là điều bất ngờ vì mọi thứ đã diễn ra đúng như dự đoán,” nhà hóa sinh học Nigel Richards tại Đại học Cardiff (Anh Quốc) bổ sung. “Đó là một hệ thống phức tạp và có nhiều điểm trong hệ thống đó có thể gặp thất bại.” Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Nhưng nó lại không diễn ra như vậy. Nhóm đã tiếp tục để chỉ ra rằng sự phiên mã và dịch mã có thể xảy ra với một codon nhân tạo thay thế – GXC – và tạo ra một thể vùi amino acid khác cũng không tự nhiên, gọi là pAzF. Họ đã dùng một số thử nghiệm, bao gồm khối phổ, hay hóa học để xác nhận sự có mặt của amino acids không điển hình trong protein. Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Cặp base nhân tạo X-Y được hình thành thông qua tương tác kị nước giữa hai nguyên tố, chứ không bởi liên kết hydro mà ta vẫn biết theo mô hình ghép cặp bổ sung. Nhưng các nucleotide X và Y ngoài ra thì vẫn tương đồng với các nucleotide khác – chứa cấu trúc đường – phosphate – base. Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
“Điều này thực sự thú vị khi bạn không cần liên kết hydro để kiểm soát việc truyền thông tin,” theo Richards. “Điều đó nói cho chúng ta,” Wu cho biết, “rằng nó có được hình dạng xấp xỉ với các cặp base là đủ rồi.”
Tuy nhiên, sự ghép đôi không tự nhiên này có thể giới hạn số lượng các cặp base nhân tạo có thể đưa vào một phân tử DNA, Richards nói. “Bạn làm méo mó chuỗi xoắn” ở nơi có các cặp base này, ông giải thích. Vì thế, một cặp base duy nhất có thể được sắp xếp vào bởi vì “các cặp base thông thường gần như hoàn toàn bù nhau … nhưng nếu bạn có 3 nu như vậy liên tiếp thì giờ đây không có gì chắc chắn rằng bạn giữ được cấu trúc xoắn kép, hay enzyme có thể hoạt động trên đó được.” Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Các nhà nghiên cứu khác, bao gồm Steven Benner từ Hiệp hội Ứng dụng tiến hóa phân tử tại Florida, đã tạo ra một số lượng các base mới lạ có thể sử dụng liên kết hydro. Chúng được tích hợp vào DNA mà không làm phá vỡ cấu trúc xoắn kép và có thể thể tồn tại bên trong các đoạn DNA dài. Tuy nhiên, đến nay, các nucleotide này chỉ có khả năng sao chép, phiên mã và dịch mã in vitro, Benner giải thích trong một email cho The Scientist.
Úng dụng có khả năng nhất cho cặp base nhân tạo của Romesberg là “tích hợp các amino acid vào các phần nhất định của protein,” theo Wu, vì thế nâng cao khả năng của các nhà hóa sinh trong việc tạo ra các protein với chức năng mới. Có một amino acid đặc biệt trong một protein có thể, chẳng hạn, cho phép sự bám của một thuốc hoặc phân tử quan tâm khác vào một điểm đặc hiệu trên một protein nhất định. Và với các nhóm ứng dụng này, giới hạn của liên kết kị nước có lẽ là “không thành vấn đề,” Richard hình dung như vậy. Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Rốt cuộc, những người thiết kế X-Y muốn “có được các phân tử thực hiện chức năng trong một tế bào … Đó là cái chúng tôi tập trung vào,” Romesberg cho biết thêm. Trước bài báo này, ông nói, “mỗi protein được tạo ra trong bất cứ tế bào sống nào đã được sản xuất bằng cách giải mã bảng chữ cái 4 ký tự. Chúng tôi nay báo cáo về việc giải mã các protein với bảng chữ cái 6 ký tự. …” Sinh vật bán nhân tạo – mở rộng bảng chữ cái DNA
Nghiên cứu được công bố trên Nature. Zhang et al., “A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information,” Nature, doi:10.1038/nature24659, 2017.
Đọc thêm: Chỉnh sửa đột biến điểm bằng CRISPR , Điều trị đích ung thư nhờ hạt nano
iceberg (dịch)
No Responses