Tạo ra bước nhảy vọt về trình tự gene

Trong bài báo mới xuất bản trên tạp chí Sciences Advances 1, các nhà nghiên cứu tại Khoa Hóa học và Khoa Vật lý và thiên văn trường đại học California, Irvine, tiết lộ những chi tiết mới về một enzyme quan trọng khiến việc giải trình tự DNA trở nên có thể. 

Phát hiện này là một bước nhảy vọt đến kỷ nguyên của y học cá thể hóa, khi các bác sĩ sẽ có khả năng thiết kế các điều trị dựa trên các hệ gene của từng bệnh nhân một.

“Thông qua sự xúc tác các biến đổi hóa học, các enzyme khiến sự sống trở nên có thể, nếu không nó sẽ trở nên quá dài so với sự tồn tại của một sinh vật”, Greg Weiss, giáo sư hóa học của UCI và một đồng tác giả chính của nghiên cứu mới này. “Một trong những biến đổi mà chúng ta quan tâm là quá trình sao chép và sửa chữa DNA bởi nó là điều cốt lõi cho mọi sự sống trên hành tinh này”.

Phân tử mà nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học UCI dẫn dắt nghiên cứu là enzyme Taq, cái tên được dẫn xuất từ vi sinh vật được phát hiện đầu tiên, Thermos aquaticus. Taq sao chép DNA. Phản ứng chuỗi polymerase, kỹ thuật có hàng trăm ứng dụng từ pháp y đến các xét nghiệm PCR để dò COVID-19, đã tận dụng được lợi thế của Taq.

Họ đã phát hiện ra Taq đã hành xử hoàn toàn không giống những gì mà các nhà khoa học từng nghĩ khi hỗ trợ việc tạo ra các bản sao mới DNA. Thay vì hành xử như những cỗ máy hiệu quả, hoạt động thông đồng bén giọt và liên tục hỗ trợ các bản sao DNA, enzyme này hành động như một người vận chuyển bạt mạng, đi qua những quầy trong một cửa hàng và ném tất cả những gì nhìn thấy vào giỏ, Weiss giải thích. “Thay vì cẩn thận lựa chọn từng miếng ghép để đưa thêm vào chuỗi DNA, enzyme này lại vồ lấy hàng tá kẻ nổi loạn”, Weiss nói. “Giống như một người giao hàng kiểm tra các hạng mục trong danh sách mua sắm, enzyme này kiểm tra mỗi phần mà trình tự DNA đàn cố gắng sao chép”. 

Taq loại bỏ bất kỳ hạng mục lỗi nào trong giỏ hàng của mình – sự loại bỏ là yếu tố chính để sao chép thành công một trình tự DNA. Điều gây ngạc nhiên trong công trình mới này là tần suất Taq loại bỏ một cách chính xác các khối cơ bản. “Nó tương đương với một người mua sắm nhấc khỏi kệ hàng nửa tá hộp cà chua, đặt nó vào trong giỏ hàng và kiểm tra tất cả chỉ để lấy duy nhất một hộp”. 

Thông điệp rút ra là Taq làm việc vô cùng thiếu hiệu quả, nếu so với khả năng của chính nó.

Phát hiện này là một bước nhảy vọt tới việc cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe, Philip Collins, giáo sư Khoa Vật lý và thiên văn trường UCI và là đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu mới, giải thích. Bởi vì nếu các nhà khoa học hiểu về các chức năng của Taq hoạt động như thế nào, họ có thể hiểu tốt hơn về hệ gene được giải trình tự của một người. “Hệ gene của mỗi người khác biệt nhau một cách tinh tế”, Collins nói, “với những đột biến khác nhau ở những điểm khác nhau. Một vài điểm trong số đó phản hồi bệnh tật, còn những thứ khác có thể không hoàn toàn như vậy. Để biết được liệu những điểm khác biệt quan trọng ảnh hưởng đến sức khỏe như thế nào – có lẽ cho y học chính xác - anh cần biết một cách tường tận về những điểm khác biệt đó”.

“Các nhà khoa học không biết cách các enzyme này đạt được độ chính xác của mình như thế nào khi hoạt động”, Collins nói – phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra những thiết bị ở kích thước nano để nghiên cứu về hành xử của Taq. “Anh bảo đảm với một bệnh nhân là anh có thể giải trình tự DNA của họ chính xác như thế nào khi nó khác biệt với hệ gene người đã được công nhận? một bệnh nhân có thực sự mang một đột biến hiếm gặp không?”, Collins đặt câu hỏi, “hay enzyme này đơn giản là tạo ra lỗi?”. 

“Công trình này có thể hữu dụng với việc phát triển những phiên bản Taq được cải tiến không mất nhiều thời gian khi tạo ra các bản sao  DNA”, Weiss nói.

Những tác động của công trình này không dừng lại ở lĩnh vực y tế; mỗi lĩnh vực khoa học phụ thuộc vào trình tự DNA chính xác cũng thu được lợi ích từ việc hiểu sâu hơn về cách Taq hoạt động. Trong việc giải thích lịch sử tiến hóa bằng sử dụng DNA cổ đại, ví dụ như vậy, các nhà khoa học phụ thuộc vào các giả định về cách DNA thay đổi theo thời gian như thế nào và những giả định phụ thuộc vào độ chính xác của giải trình tự gene. “Chúng ta đã bước vào một thế kỷ của dữ liệu hệ gene”, Collins nói. “Tại điểm khởi đầu của thế kỷ này, chúng ta đã biết được hệ gene người rất sớm và chúng ta đang bắt đầu hiểu về các sinh vật, các loài và lịch sử con người với những thông tin nền tảng mới từ các hệ gene nhưng thông tin về hệ gene chỉ thực sự hữu dụng khi nó chính xác”. 

Các đồng tác giả nghiên cứu này bao gồm tiến sĩ Mackenzie Turvey, một cựu học viên vật lý và thiên văn học UCI, và tiến sĩ Kristin Gabriel, một cựu học viên sinh học phân tử và hóa sinh.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-03-scientists-genetic-sequencing.html

https://www.technologynetworks.com/genomics/news/taq-enzyme-does-not-behave-how-scientists-once-thought-359520