Amino acid số 21: Bước tiến mới trong sinh học tổng hợp

Ngày 12 tháng Tám 2020 vừa qua, tạp chí Chem, một tạp chí chuyên ngành của Cell Press, vừa xuất bản công trình của nhóm nghiên cứu tại Đại Học Rice, Hoa Kỳ trong việc mở rộng mã di truyền của vi khuẩn Escherichia coli. Trước đó, các nhóm nghiên cứu khác tập trung vào việc tích hợp các amino acid không chính thống (noncanonical amino acid) vào tế bào. Trong công trình này, Han Xiao và các cộng sự đã tiến một bước xa hơn bằng cách lập trình cho tế bào E. coli mã hóa và sinh tổng hợp amino acid thứ 21, 5-hydroxyl-tryptophan (5HTP), hứa hẹn tiềm năng tích hợp amino acid không chính thống ở mức độ sinh vật.

Ở hầu hết các sinh vật, các protein được tạo nên từ 20 amino acid căn bản, và thông tin này được lập trình trong bộ gene của sinh vật. Từ chuỗi amino acid này và các tương tác hóa học mà các bậc cấu trúc phức tạp hơn được tạo thành và các chức năng khác nhau của protein được thể hiện. Một trong những câu hỏi thú vị mà các nhà khoa học luôn muốn tìm câu trả lời là protein sẽ có những chức năng mới nào khi chúng có thêm các amino acid bên ngoài danh sách 20 thành viên chính thống kia?

Trong công trình mới, tế bào vi khuẩn được lập trình qua ba bước chính. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu tạo ra một bộ máy dịch mã cho 5HTP mà không ảnh hưởng tới các tiến trình sinh học tự nhiên khác xảy ra bên trong tế bào, thuật ngữ là bioorthogonal translational machinery. Tiếp đó, các nhà khoa học tìm và chỉnh sửa một codon lặn (blank codon) để nó có thể mã hóa 5HTP. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu tích hợp một nhóm các enzyme từ các loài sinh vật khác lên E. coli để vi khuẩn có thể sản xuất 5HTP.

5HTP là một tiền chất (precursor) của serotonin, một chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) ở người. Qúa trình sinh tổng hợp của 5HTP phụ thuộc vào các enzyme và các đồng yếu tố (cofactors), và nguyên liệu đầu vào của chuổi phản ứng là tryptophan. Bằng cách tận dụng 5HTP, các nhà khoa học tái định hướng vi khuẩn để đo lường mức độ căng thẳng oxy hóa (oxidative stress). Các nhà khoa học sử dụng hydrogen peroxide làm chất kích thích quá trình oxidative stress. Tình trạng này dẫn đến sự mất các đồng yếu tố khử (reduced cofactors) và làm giảm sự sinh tổng hợp của 5HTP. Bằng cách đánh dấu 5HTP với protein huỳnh quang GFP, các nhà khoa học có thể đo lường sự giảm của 5HTP và từ đó đánh giá mức độ oxidative stress của tế bào.

Các protein chứa 5HTP này có rất nhiều tiềm năng để mở rộng sang các ứng dụng khác nhau, bao gồm đánh dấu 5HTP bằng các phân tử thuốc hoặc các hợp chất khác. Hơn nữa, các nhà khoa học cũng lạc quan rằng các tế bào đích như tế bào ung thư cũng có thể được lập trình để sản xuất các protein dược phẩm (therapeutic drugs).

Huy Vũ (tổng hợp)

Bài báo:

Yuda Chen et al, Creation of Bacterial Cells with 5-Hydroxytryptophan as a 21st Amino Acid Building Block, Chem (2020).

Mike Williams, Chemists expand genetic code of E. coli to produce 21st amino acid, giving it new abilities. Phys.org. 12 August 2020.