Bỏ qua điều hướng

Protein hình xoắn ốc và việc chuyển giao các đoạn DNA tới tế bào

Protein hình xoắn ốc và việc chuyển giao các đoạn DNA tới tế bào
Nguồn ảnh: KhoaHoc.tv

Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư Jianjun Cheng và giáo sư Fei Wang, làm việc tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ, đã chứng minh rằng: các protein hình xoắn ốc ngắn hiệu quả trong việc cung cấp các phân đoạn DNA đến các tế bào. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Angewandte C...

Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư Jianjun Cheng và giáo sư Fei Wang, làm việc tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ, đã chứng minh rằng: các protein hình xoắn ốc ngắn hiệu quả trong việc cung cấp các phân đoạn DNA đến các tế bào. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Angewandte Chemie.

"Ý tưởng chính là việc tạo ra những vật liệu mới có tiềm năng có thể được sử dụng trong liệu pháp gene lâm sàng", theo Jianjun Cheng, một giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật, hóa học và công nghệ sinh học.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hai cách thức chuyển giao gene chính: điều chỉnh vi rút và các tác nhân phi vi rút như là các loại nhựa tổng hợp hay các chất béo (lipít). Xem xét ở cả 2 vấn đề: độc tính lẫn hiệu suất thì Polypeptide, hay còn gọi là các chuỗi protein xoắn ốc ngắn, là vật liệu hấp dẫn bởi vì các tính chất: tương hợp sinh học, dễ dàng điều hướng và kích thước nhỏ.

"Dù rằng các tác nhân vitrotransfection là có sẵn, nhưng chúng tôi không thể sử dụng chúng trong cơ thể sống vì độc tính và kích thước quá lớn"
, Cheng nói. "Sử dụng polypeptide, chúng ta có thể kiểm soát kích cỡ xuống đến ngưỡng 200nm (nano mét), hình thành hệ thống cung cấp các đoạn DNA cho các ứng dụng trong cơ thể sống".

Polypeptide còn được gọi là poly-L-lysine (PLL) là một ứng cử viên hàng đầu trong các nghiên cứu phân phối gen. PLL tích điện dương ở chuỗi cấu trúc phân tử xuất phát từ mỗi liên kết axit amin trong chuỗi polypeptide, vì vậy PLL có thể hòa tan trong môi trường ẩm ướt của tế bào.

Tuy nhiên, PLL dần dần đã bị bỏ đi vì khả năng bị giới hạn khi đưa gene vào bên trong tế bào, (một quá trình được gọi là chuyển nạp), và bởi độc tính cao. Giáo sư Cheng mặc nhiên công nhận rằng hiệu quả thấp của PLL có thể là do chức năng của hình dạng hình cầu, làm cho chuỗi polypeptide có xu hướng tiếp nhận một cấu trúc quấn ngẫu nhiên, thay vì một chuỗi xoắn ốc có trật tự hơn.

Đầu năm 2011, nhóm nghiên cứu của giáo sư Cheng đã phát triển một phương pháp làm polypeptide xoắn ốc ngắn với chuỗi bên tích điện dương. Để kiểm tra xem một polypeptide xoắn ốc ngắn có thể là một tác nhân chuyển giao gene có hiệu quả, các nhà nghiên cứu tập hợp một loạt 31 polypeptide xoắn ổn định trên một ngưỡng pH rộng và có thể chuyển giao các đoạn DNA tới các tế bào. Hầu hết các polypeptide xoắn ốc ngắn đã hoạt động tốt hơn khi so với các PLL và một vài polypeptide xoắn ốc ngắn còn hoạt động tốt hơn (cả các tác nhân polyethyleneimine (PEI), vốn nổi tiếng với độc tính cao dù rằng các tác nhân này hoạt động rất hiệu quả). Các polypeptide xoắn ốc ngắn này cũng hoạt động tốt trên một số các tế bào như: tế bào gốc và tế bào nguyên bào sợi.

"Polypeptide mà chúng tôi thiết kế, tổng hợp và được sử dụng trong nghiên cứu này có hiệu quả rất cao và độc tính cũng được kiểm soát tốt. Với ​​một polypeptide xoắn ốc sửa đổi, chúng tôi đã chứng minh rằng một polypeptide xoắn ốc ngắn có thể hoạt động tốt hơn nhiều tác nhân thương mại khác", giáo sư Cheng nói.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Cheng có thể tạo ra loại polypeptide với nhiều kiểu dáng xoắn ốc vì các chuỗi bên dài hơn, để các điện tích dương không cản trở uốn khúc của protein. Các điện tích dương dễ dàng liên kết với DNA tích điện âm, tạo thành cụm phức hợp được tiếp thu vào khoang tế bào còn được gọi là các cơ quan nội bào, để cung cấp các phân đoạn DNA đến các tế bào.

Nhằm xác định: polypeptide hình xoắn ốc ngắn là chìa khóa của quá trình chuyển nạp, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp hai đợt polypeptide hiệu quả nhất: một đợt với polypeptide hình xoắn ốc ngắn; một đợt với polypeptide cuộn ngẫu nhiên. Kết quả thu được khẳng định: polypeptide hình xoắn ốc ngắn vượt xa polypeptide cuộn ngẫu nhiên về mặt hiệu suất lẫn mức độ ổn định.

"Điều này chứng tỏ rằng hình dạng xoắn ốc là rất quan trọng, bởi vì các loại polyme tuy có cùng thành phần hóa học, nhưng chúng sẽ có đặc tính khác nhau do có cấu trúc khác nhau", theo giáo sư Cheng, người đang phối hợp nghiên cứu với Viện Sinh học di truyền và Viện ứng dụng Khoa học và Công nghệ Beckman, Đại học Illinois, Hoa Kỳ.

Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu đã lên kế hoạch để tiếp tục khám phá các đặc tính của polypeptide xoắn ốc ngắn, đặc biệt là khả năng thâm nhập vào tế bào. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ kiểm soát trình tự và cấu trúc polypeptide xoắn ốc ngắn với độ chính xác cao trong các ứng dụng cụ thể, bao gồm: cung cấp đoạn ADN cho các tế bào, phân phối thuốc, xâm nhập màng tế bào và kháng khuẩn.

Tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu do giáo sư Jianjun Cheng và giáo sư Fei Wang dẫn đầu đã chứng minh tiềm năng của các protein hình xoắn ốc ngắn trong việc đưa những đoạn DNA vào tế bào. Kết quả được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie, mở thêm hướng phát triển vật liệu mới phục vụ các ứng dụng liệu pháp gene lâm sàng. Ý tưởng trọng tâm của công trình là tạo ra những chất mang DNA vừa đạt hiệu quả chuyển giao cao, vừa hạn chế độc tính thường gặp ở nhiều vật liệu hiện nay. Theo nhóm nghiên cứu, chuyển giao gene hiện chủ yếu dựa trên hai hướng, gồm điều chỉnh virus hoặc sử dụng các tác nhân phi virus như nhựa tổng hợp và lipid. Những lựa chọn này đều có ưu điểm riêng, nhưng đồng thời gây trở ngại đáng kể khi cân nhắc đồng thời hiệu suất chuyển giao, độc tính và khả năng ứng dụng trong cơ thể sống. Các chuỗi polypeptide ngắn, còn gọi là những chuỗi protein hình xoắn ốc, được quan tâm nhờ tính tương hợp sinh học, kích thước nhỏ và khả năng điều chỉnh tương đối thuận lợi. Cheng cho biết các tác nhân chuyển nạp dùng trong môi trường thí nghiệm chưa thể dễ dàng đưa vào cơ thể sống, bởi chúng có thể độc hại hoặc sở hữu kích thước quá lớn. Với polypeptide, nhóm có thể kiểm soát kích thước hệ thống xuống ngưỡng 200nm, từ đó tạo nền tảng đưa các đoạn DNA vào tế bào cho những ứng dụng trong cơ thể. Đây là điểm quan trọng, bởi vật liệu chuyển giao cần vừa mang được DNA, vừa di chuyển phù hợp trong môi trường sinh học phức tạp. Một ứng viên từng được chú ý trong lĩnh vực phân phối gene là poly-L-lysine, thường được gọi bằng tên viết tắt PLL. PLL mang điện tích dương dọc theo cấu trúc phân tử, phát sinh từ các liên kết axit amin trong chuỗi polypeptide, nên có thể hòa tan trong môi trường ẩm của tế bào. Điện tích dương này cũng giúp PLL liên kết với DNA mang điện tích âm, nhưng bản thân vật liệu dần bị hạn chế vì hiệu quả đưa gene vào tế bào thấp cùng độc tính tương đối cao. Giáo sư Cheng nhận định hình dạng có thể là một nguyên nhân khiến PLL hoạt động chưa hiệu quả, bởi các chuỗi của nó thường tạo cấu trúc cầu hoặc cuộn ngẫu nhiên. Cách sắp xếp thiếu trật tự ấy có thể khác đáng kể so với một chuỗi xoắn ốc ổn định, nơi các bộ phận cấu thành được tổ chức theo hình dạng rõ ràng hơn. Vì vậy, nhóm tập trung kiểm tra liệu chính cấu trúc xoắn ốc có thể cải thiện khả năng vận chuyển DNA vào tế bào hay không. Đầu năm 2011, nhóm của Cheng phát triển phương pháp tạo ra các polypeptide xoắn ốc ngắn, trên đó gắn những chuỗi bên mang điện tích dương. Để đánh giá khả năng chuyển giao gene, các nhà nghiên cứu đã tập hợp 31 polypeptide xoắn ốc có độ ổn định trong một khoảng pH rộng, sau đó kiểm tra khả năng đưa DNA vào tế bào. Phần lớn những polypeptide này hoạt động tốt hơn PLL, trong khi một số mẫu còn vượt qua polyethyleneimine, thường gọi là PEI, vốn nổi tiếng vì hiệu suất cao nhưng độc tính cũng lớn. Các polypeptide xoắn ốc ngắn tiếp tục cho thấy hiệu quả trên nhiều loại tế bào khác nhau, trong đó có tế bào gốc và tế bào nguyên bào sợi. Cheng cho biết những polypeptide được nhóm thiết kế, tổng hợp và thử nghiệm đạt hiệu quả rất cao, đồng thời duy trì mức độc tính được kiểm soát tốt. Đáng chú ý, một polypeptide xoắn ốc đã được sửa đổi còn hoạt động tốt hơn nhiều tác nhân thương mại khác trong các thử nghiệm của nhóm. Khả năng tạo ra nhiều kiểu xoắn ốc đến từ việc thiết kế các chuỗi bên dài hơn, giúp điện tích dương không cản trở quá trình uốn cong của protein. Khi tiếp xúc với DNA tích điện âm, các polypeptide này dễ dàng tạo thành những cụm phức hợp, sau đó được tế bào tiếp nhận vào các khoang nội bào. Từ đó, phức hợp mang DNA có thể đi vào bên trong tế bào, cung cấp vật liệu di truyền theo cơ chế mà nhóm nghiên cứu đang hướng tới.