Trong nghiên cứu, công bố trên tạp chí Nature Communications gần đây, giáo sư James Chappell của Đại học Rice đã cho thấy một bước đột phá về plasmid - các phân tử ADN dạng vòng vốn là công cụ nền tảng của nghiên cứu sinh học phân tử kể từ những năm 1970.

Đồ họa minh họa cơ chế kiểm soát nội bào với các plasmid mang điểm khởi đầu sao chép nhân tạo.

Cơ chế tự điều hòa thông thường của plasmid

Chappell, tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết: "Trong nhiều thập kỷ, chúng ta luôn phải thiết kế các thí nghiệm xoay quanh hai rào cản lớn của plasmid: số lượng bản sao cố định và tính không tương thích (incompatibility). Mặc dù vẫn có cách giải quyết, nhưng chúng khá cồng kềnh. Cho nên, trong nghiên cứu mới này, chúng tôi đã thiết kế một phiên bản nhân tạo của cấu trúc gọi là điểm khởi đầu sao chép (origin of replication - ORI), cho phép chúng tôi can thiệp trực tiếp vào plasmid thay vì phải điều chỉnh toàn bộ mô hình thí nghiệm".

Plasmid thường được biến nạp vào tế bào vi khuẩn, nơi chúng sử dụng bộ máy sinh tổng hợp của tế bào để biểu hiện protein và nhân bản chính chúng. Mỗi plasmid sẽ tạo ra các phân tử tín hiệu ức chế nhỏ, gọi là nhân tố điều hòa âm tính (negative regulator), liên kết với ORI. Khi ORI liên kết đủ số lượng tín hiệu ức chế này, plasmid sẽ ngừng sao chép. Cơ chế này cho phép plasmid duy trì một số lượng bản sao ổn định bên trong tế bào.

Số lượng chính xác của các nhân tố điều hòa âm tính cần thiết để kích hoạt trạng thái "ngừng sao chép" là khác nhau tùy loại. Một số plasmid cần một lượng lớn tín hiệu ức chế, do đó chúng sẽ tự nhân lên hàng trăm bản sao, dẫn đến sản lượng protein được tổng hợp cao hơn. Các plasmid khác chỉ cần một lượng nhỏ tín hiệu, tạo ra rất ít bản sao, dẫn đến lượng protein được tổng hợp ít hơn. Vì các nhà nghiên cứu thường cần thu nhận một sản lượng protein cụ thể, nên "số lượng bản sao" là một thông số cực kỳ quan trọng trong thiết kế thực nghiệm.

Cấu trúc ORI mà một plasmid sở hữu cũng quan trọng không kém. Có khoảng 27 họ ORI khác nhau, và việc đưa hai plasmid có ORI giống hoặc tương tự nhau vào cùng một tế bào sẽ làm giảm hiệu suất sản xuất protein, vì cả hai plasmid sẽ cùng tạo ra và cạnh tranh liên kết với cùng một loại nhân tố điều hòa âm tính. Sự không tương thích của plasmid (plasmid incompatibility) này giới hạn các nhà nghiên cứu ở việc chỉ có thể đồng biến nạp một vài plasmid vào một tế bào tại cùng một thời điểm.

Giải pháp điểm khởi đầu sao chép nhân tạo dạng mô-đun

Nhóm của Chappell, hợp tác cùng Matt Lakin từ Đại học New Mexico, nhận ra rằng họ có thể giải quyết cả hai vấn đề bằng cách chế tạo một ORI tổng hợp nhân tạo, trao cho các nhà nghiên cứu quyền kiểm soát độc lập đối với cả số lượng bản sao và tín hiệu ức chế. Trong cấu trúc ORI của họ, một mô-đun quyết định loại tín hiệu ức chế mà plasmid sử dụng, trong khi mô-đun thứ hai định lượng số lượng tín hiệu cần thiết.

Baiyang Liu, tác giả chính của bài báo và là cựu nghiên cứu sinh, chia sẻ: "Thay vì sử dụng các tín hiệu ức chế tự nhiên, chúng tôi đã sử dụng các yếu tố điều hòa ARN (RNA control elements) được thiết kế nhân tạo. Chúng tôi sở hữu các thư viện đồ sộ về các yếu tố điều hòa ARN độc bản có thể tích hợp vào plasmid, điều này đồng nghĩa với việc chúng ta có khả năng đưa một số lượng lớn plasmid vào một tế bào mà không phải lo ngại các vấn đề về tính không tương thích gây cản trở quá trình sao chép".

Nhóm của Chappell đã kiểm chứng giả thuyết này bằng cách đưa sáu plasmid mang ORI nhân tạo vào cùng một tế bào. Cả sáu plasmid đều sao chép thành công và đạt được số lượng bản sao đúng như thông số kỹ thuật được lập trình bởi ORI nhân tạo; đồng thời tất cả đều biểu hiện thành công sản phẩm protein mục tiêu của chúng. Họ cũng chứng minh rằng số lượng bản sao có thể được lập trình một cách linh hoạt, cho phép các plasmid gia tăng hoặc giảm tốc độ sao chép để đáp ứng với những thay đổi về điều kiện nội bào.

Chappell khẳng định, đây là một cấp độ kiểm soát mới và cực kỳ tinh vi đối với một công cụ sinh học phân tử nền tảng. Thiết kế dạng mô-đun cho phép các nhà khoa học tùy biến plasmid sao cho khớp hoàn hảo với các mô hình thí nghiệm của họ, tối ưu hóa quy trình làm việc và mở rộng ranh giới của các nghiên cứu thực nghiệm.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/