GFP – Một scaffold tiềm năng cho lắp ráp protein

Sự lắp ráp hay sắp xếp (resemble) các phân tử protein lớn mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phát triển thuốc, vaccine, sản xuất hóa chất, năng lượng, và các phụ gia nông nghiệp. Tuy nhiên, độ phức tạp cao của cấu trúc phân tử protein đặt ra thách thức lớn trong việc tìm hiểu và lắp ráp các protein ở mức độ căn bản.

Theo các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ cao Hàn Quốc (KAIST), vấn đề này có thể sẽ thay đổi. Những phát hiện tạo ra bước đi lớn trong việc tìm ra phương pháp tốt hơn để xây dựng các tập hợp protein đa dạng có cấu trúc và chức năng mới.

Các nhà khoa học ở KAIST đã phát triển một hệ thống lắp ráp protein phát huỳnh quang xanh lục (GFP) tương đối đơn giản với cấu trúc xác định rõ – là những scaffold tốt để lắp ráp các protein khác.

GFP là một protein phát huỳnh quang cấu thành từ 238 axit amin (amino acid), thường được tìm thấy trong các sinh vật biển phát huỳnh quang như sứa. Chính nhờ đặc tính phát quang, dễ quan sát của nó, GFP được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu.

Một nhóm đã tạo ra một scaffold bằng việc lợi dụng hai đơn vị GFP khác nhau với trình tự axit amin đặc trưng có khả năng hình thành liên kết một cách tự nhiên (spontaneously) trong tế bào vi khuẩn (bacterial cell). Mỗi đơn phân (monomer) GFP được thiết kế với hai đơn vị liên kết (linking units), sau đó mỗi đơn phân tự lắp ráp (self-assemble) với các đơn phân GFP khác để tạo thành hợp chất đa phân (polymer). Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mỗi polymer được tổ chức thành một hình đa giác (polygonal shape) giống như cối xay gió có 2-10 cánh, mỗi cánh đại diện cho một đơn phân GFP.

Ví dụ, một polymer bốn cánh bao gồm bốn đơn phân liên kết với nhau để tạo thành một cấu trúc tứ phân (tetramer). Nhóm nghiên cứu đã có thể tách các polymer dựa trên kích thước của chúng. Protein sau đó được liên kết di truyền với đầu tự do hay “lưỡi”/ “cánh” (blade) của mỗi đơn phân GFP.

Các chuỗi β11 của GFP được liên kết với đầu N của GFP 1-10 sử dụng một chuỗi nối peptit (linker peptide) ngắn, dẫn đến  đơn vị monome GFP trải qua tự lắp ráp để hình thành cấu trúc đa giác trong tế bào. Thông qua sự biểu hiện của điện tích lớn (supercharges) trên bề mặt đa giác, hỗn hợp đa giác GFP có thể được tách bị cô lập tùy thuộc vào số lượng các khối GFP được xây dựng (GFP-building blocks) để sản xuất một loạt đa giác GFP riêng rẽ.

Nhóm nghiên cứu cũng cho thấy rằng họ có thể ngăn chặn (block) một liên kết trong polymer “cối xay gió” để tạo ra mạch thẳng (linear chain) các đơn vị (unit) GFP, lên đến 15 đơn vị chiều dài. Họ đã có thể liên kết các protein với cấu trúc mở GFP mới, chứng tỏ khả năng lắp ráp protein với các tổ chức không gian đa dạng (spatial organisations).

Cuối cùng, một nhóm đã kiên kết thành công kháng thể với scaffold dạng đa giác hoặc chuỗi thẳng. Trong tương lai, điều này có thể tạo ra các  thuận lợi cho việc vận chuyển kháng thể tới tế bào.

Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã kiểm soát được việc tạo ra các scaffold dạng đa giác riêng biệt của các protein chức năng, điều này cho phép việc lắp ráp cấu trúc  không gian chính xác của các protein khác lên trên chúng.

Các nhà khoa học nói rằng việc sử dụng các scaffold ở kích thước nano của protein riêng biệt này sẽ mang lại nhiều lợi thế lớn cho những hiểu biết trong tương lai và kiểm soát những quá trình sinh học như xâm nhập của virus, giao tiếp giữa tế bào với tế bào và đáp ứng miễn dịch.

Nhật Quỳnh, Khánh Linh, và Thuần Nho (chuyển ngữ và tổng hợp)

T.S. Nguyễn Minh Hiền (cố vấn và biên tập)

Bài báo:

1. Korea Advanced Institute of Science and Technology. (2016, June 24). Green fluorescent protein a potential scaffold for protein assembly. ScienceDaily.
2. Kim, Y. E., Kim, Y. N., Kim, J. A., Kim, H. M., & Jung, Y. (2015). Green fluorescent protein nanopolygons as monodisperse supramolecular assemblies of functional proteins with defined valency. Nature communications, 6.

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.