Sử dụng ánh sáng để kiểm soát các mạng logic của một tế bào

Nghiên cứu, dẫn đầu bởi Klaus Hahn và Nikolay Dokholyan và một nghiên cứu sinh của họ Onur Dagliyan, xây dựng dựa trên công nghệ mang tính đột phá được gọi là di truyền học quang. Các kỹ thuật, phát triển vào đầu những năm 2000, cho phép các nhà khoa học, lần đầu tiên, sử dụng ánh sáng để kích hoạt và vô hiệu hóa các protein mà các protein này có thể làm các tế bào não hoạt động hoặc ngừng nghỉ, làm rõ hơn ý tưởng về cách thức mang tế bào não cá nhân vận hành và cách chúng liên quan đến các khía cạnh khác như hành vi và nhân cách.

Nhưng kỹ thuật này có những giới hạn của nó. Chỉ có một số protein có thể được điều khiển bằng ánh sáng; chúng đã được đưa vào thành một bộ phận của một tế bào, nơi chúng thường không tồn tại; và protein đã được thiết kế nặng nề, mất đi nhiều khả năng ban đầu của chúng để phát hiện và đáp ứng với môi trường xung quanh.

Trong nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu, được công bố gần đây trên tạp chí khoa học, Hahn, Dokholyan và Dagliyan mở rộng di truyền học quang để kiểm soát một loạt các protein mà không thay đổi chức năng của chúng, cho phép một protein bị kiểm soát bởi ánh sáng vẫn có thể thực hiện các công việc hàng ngày của mình. Các protein có thể được kích hoạt ở hầu hết mọi nơi nào trong tế bào, cho phép các nhà nghiên cứu thấy rằng protein làm việc rất khác nhau tùy thuộc vào nơi chúng được kích hoạt và ngừng nghỉ.

"Chúng ta có thể lấy toàn bộ các protein nguyên vẹn, như cách tự nhiên đã làm cho nó, và dính “núm nhỏ bật tắt” lên trên nó cho phép chúng ta có thể làm nó hoạt động hoặc ngưng nghỉ với ánh sáng", theo Hahn, giáo sư dược lý và thành viên trung tâm nghiên cứu ung thư Lineberger. "Nó giống như một công tắc."

Việc chuyển đổi mà Hahn, Dokholyan và các đồng nghiệp đã phát triển là linh hoạt và nhanh chóng - họ có thể chuyển đổi một protein hoạt động hoặc ngưng nghỉ nhanh như họ chuyển đổi ánh sáng của. Bằng cách thay đổi cường độ ánh sáng, họ cũng có thể kiểm soát mức độ các protein được kích hoạt hoặc ngưng nghỉ. Và bằng cách kiểm soát thời gian của chiếu xạ, họ có thể kiểm soát thời gian chính xác protein được kích hoạt ở các điểm khác nhau trong tế bào.

"Rất nhiều khía cạnh của hành vi tế bào phụ thuộc vào những thay đổi nhanh chóng trong hoạt động protein", Hahn cho biết. "Nhưng những thay đổi này có thể xảy ra tại các địa điểm chính xác. Cùng một protein có thể gây ra một tế bào hoạt động khác nhau nếu protein được kích hoạt ở những nơi khác nhau, xây dựng các mạng lôgic linh hoạt trong các phần khác nhau của tế bào, tùy thuộc vào những gì nó được đáp ứng."

Để thực hiện bước đột phá, Hahn và Dagliyan sử dụng một phương pháp tính toán để xác định các bộ phận của một protein có thể được sửa đổi mà không làm thay đổi hoạt động bình thường của protein, và cho thấy rằng vòng lặp cấu trúc protein thường được tìm thấy trên bề mặt protein có thể dễ dàng thay đổi với 'nút bấm' khác nhau để kiểm soát protein với ánh sáng, hoặc thậm chí để đáp ứng với thuốc.

Hãy tưởng tượng việc gắn một máy quay video trên một chiếc xe buýt; đặt nó trên bàn đạp ga và nó sẽ cản trở chức năng của bàn đạp, dẫn đến việc các xe buýt sẽ không hoạt động bình thường. Nhưng nếu đặt máy quay trên mui xe, và xe buýt sẽ tiếp tục vận hành tốt. Phương pháp tính toán mới chỉ các nhà nghiên cứu về phía “mui xe” của mỗi protein.

Bởi vì các công cụ giữ chức năng protein tự nhiên còn nguyên vẹn, các kỹ thuật mới cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các protein trong hệ thống sống, nơi các protein bình thường sống và làm việc với tất cả sự phức tạp tự nhiên của chúng. Khả năng này có thể tác động đến protein trong hệ thống sống cũng cung cấp một cơ hội để nghiên cứu một loạt các bệnh, mà thường phát sinh từ những trục trặc của một loại protein nào đó.

"Để hiểu được những gì đang xảy ra, bạn cần phải xem các phần chuyển động xung quanh", Hahn cho biết. "Đó là hành vi động mà bạn cần biết để hiểu những gì đang xảy ra."

Nhã Khanh (Theo sciencedaily)