Lần đầu tiên quá trình sao chép của một DNA được ghi hình lại

Các nhà nghiên cứu đã ghi lại được cận cảnh quá trình tự sao chép của một phân tử DNA đơn lẻ và điều này dẫn đến những vấn đề về cách mà chúng ta đã từng nhìn nhận về diễn biến của quá trình này.

Đoạn phim được quay trong thời gian thực đã cho thấy sự sao chép của DNA chứa đựng quá nhiều yếu tố ngẫu nhiên, và điều này có thể khiến các nhà khoa học phải xem xét lại việc làm thế nào các sao chép di truyền xảy ra mà không có sự đột biến.

Theo Stephen Kowalczykowski đến từ đại học California, Davis: “Đây là một sự thay đổi mô hình lý thuyết thực sự, điều này sẽ làm suy yếu đi rất nhiều kiến thức đã được viết trong sách giáo khoa”

Cấu trúc xoắn kép của DNA bao gồm hai mạch vật chất di truyền xoắn lại với nhau. Mỗi mạch được tạo thành từ 4 đơn phân nucleotide: guanine, thymine, cytosine và adenine (G, T, C, A). Quá trình nhân đôi của DNA bắt đầu khi một enzyme (men) có tên là helicase tháo xoắn DNA, tách nó ra thành hai mạch đơn. Tiếp đến là enzyme thứ hai với tên gọi primase tổng hợp ‘đoạn mồi’ (primer) trên mỗi mạch DNA đã được tách ra. Chỉ khi có đoạn mồi này, những quá trình hoàn chỉnh tiếp theo mới có thể diễn ra. Sau cùng là enzyme DNA polymerase gắn liên tục phía sau đoạn mồi các nucleotide tự do trong môi trường, chính xác theo nguyên tắc bổ sung A-T, G-C tạo nên 2 chuỗi xoắn kép mới.

Trên thực tế, xoắn kép của DNA hình thành từ hai mạch có chiều ngược nhau. Theo đó một mạch được biết đến là ‘mạch nhanh’ (leading strand) sẽ cuộn trước và mạch còn lại gọi là ‘mạch chậm’ (lagging strand) theo sau mạch nhanh. Vật liệu di truyền mới được gắn vào mỗi mạch trong suốt quá trình sao chép một cách chính xác với những nucleotide giống với nucleotide trên mạch đối ban đầu của nó. Cụ thể, khi mạch nhanh được tách ra, các enzyme thêm các nucleotide giống với nucleotide trên mạch chậm ban đầu  (mạch bổ sung ban đầu của mạch nhanh), và khi mạch chậm tách ra và thêm nucleotide thì chúng ta có được vật liệu di truyền giống với mạch nhanh ban đầu.

Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng các DNA polymerase trên hai mạch nhanh và chậm bằng cách nào đó đã phối hợp với nhau trong suốt quá trình sao chép. Do đó, chúng có thể hoạt động đồng thời trong quá trình tách mạch và tránh gây ra đột biến. Tuy nhiên, đoạn video quay được cho thấy không có sự phối hợp nào giữa các DNA polymerase và bằng cách nào đó, mỗi mạch tổng hợp một cách độc lập mà vẫn bảo toàn được nguyên tắc bổ sung.

Nhóm nghiên cứu đã tách chiết từng phân tử DNA riêng rẽ từ E. coli và quan sát chúng trên lam kính thủy tinh. Sau đó họ dùng một loại thuốc nhuộm chỉ đính vào các phân tử DNA khi chúng ở dạngmạch xoắn kép. Điều này giúp cho họ có thể theo dõi tiến trình hình thành 2 chuỗi xoắn kép mới  từ một chuỗi xoắn kép ban đầu.

Mặc dù DNA vi khuẩn khác với DNA của người nhưng cả hai đều có quá trình sao chép giống nhau, do đó cảnh quay có thể tiết lộ rất nhiều về những gì diễn ra trong cơ thể chúng ta.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng tốc độ trung bình mà hai mạch được tổng hợp là bằng nhau. Nhưng trong suốt quá trình này có những điểm kết thúcvà những điểm khởi sự sao chép đáng ngạc nhiên vì khi ấy, chúng giống như hai thực thể độc lập hoạt động theo tiến độ riêng của mình. Có đôi khi mạch chậm đã ngừng tổng hợp, nhưng mạch nhanh vẫn cứ tiếp tục. Ở những thời điểm khác, một mạch dường như chẳngvì lý do gì,  có thể bắt đầu sao chép với tốc độ gấp 10 lần so với tốc độ thông thường của nó…

Kowalczykowski nói: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng ở đây không có sự phối hợp giữa các mạch, chúng hoàn toàn hoạt động độc lập.”

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng bởi vì thiếu sự phối hợp nên chuỗi xoắn kép DNA phải kết hợp với một ‘công tắc an toàn’ (dead man’s switch). Công tắc này giúp kích hoạt và ngăn không cho helicase tháo xoắn thêm nữa để DNA polymerase có thể bắt kịp.

Câu hỏi hiện tại được đặt ra là: nếu hai mạch này “hoạt động một cách độc lập” như đoạn phim cho thấy thì làm thế nào chuỗi xoắn kép bị tách mạch biết được cách để giữ cho mọi thứ đúng tiến độ và giảm thiểu sự đột biến bằng cách  tăng tốc hay phanh lại vào đúng thời điểm?

Hy vọng rằng sẽ có nhiều hơn những cảnh quay trong thời gian thực như thế này sẽ giúp các nhà khoa học tìm được cơ chế. Và đây cũng là một lời nhắc nhở quan trọng rằng trong khi con người chúng ta thích giả định rằng tự nhiên có một ‘kế hoạch’ hoặc một hệ thống, thì trên thực tế nó thường hỗn độn hơn rất nhiều.

IBSG – Nhóm Vi Sinh (lược dịch)

Bài báo:

Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome. Cell. Volume 169, Issue 7, p1201–1213.e17, 15 June 2017