Các nhà khoa học đã tổ chức các protein – khối xây dựng linh hoạt nhất của tự nhiên – trong các mảng được sắp xếp theo thứ tự 2-D và 3-D mong muốn trong khi vẫn duy trì sự ổn định cấu trúc và hoạt động sinh học của chúng.
Họ đã xây dựng các mảng protein chức năng được thiết kế riêng này bằng cách sử dụng DNA làm vật liệu xây dựng có thể lập trình được.
>> Tham khảo: Mạch in có thể hoạt động trên vải, nhựa và thậm chí cả trái cây.
Nhóm nghiên cứu – đại diện cho Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Đại học Columbia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của DOE và Đại học Thành phố New York (CUNY) – đã mô tả cách tiếp cận của họ trong số ra ngày 17 tháng 6 của tạp chí Nature Communications.
“Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã mơ ước về việc lắp ráp protein một cách hợp lý thành các tổ chức cụ thể với chức năng protein được bảo tồn”, tác giả tương ứng Oleg Gang, lãnh đạo Nhóm vật liệu nano mềm và vật liệu sinh học của Trung tâm vật liệu nano chức năng (CFN) tại Phòng thí nghiệm Brookhaven và là giáo sư kỹ thuật hóa học cho biết và vật lý ứng dụng và khoa học vật liệu tại Columbia Engineering.
“Nền tảng dựa trên DNA của chúng tôi có tiềm năng to lớn không chỉ đối với sinh học cấu trúc mà còn đối với các ứng dụng kỹ thuật sinh học, y sinh và vật liệu sinh học khác nhau.”
Động lực chính của công việc này là thiết lập một cách hợp lý để tổ chức các protein thành các kiến trúc 2-D và 3-D được thiết kế trong khi vẫn bảo toàn chức năng của chúng.
>> Tham khảo: Kỹ thuật mang tính cách mạng để tạo ra hydro hiệu quả hơn từ nước.
Tầm quan trọng của việc tổ chức protein đã được biết rõ trong lĩnh vực tinh thể protein. Đối với kỹ thuật này, protein được lấy từ môi trường dựa trên dung dịch tự nhiên của chúng và cô đặc lại để tạo thành sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử (cấu trúc tinh thể), sau đó có thể được mô tả cấu trúc.
Tuy nhiên, do tính linh hoạt và tập hợp của chúng, nhiều protein rất khó kết tinh, đòi hỏi phải thử và sai. Cấu trúc và chức năng của protein có thể thay đổi trong quá trình kết tinh và chúng có thể trở nên không hoạt động khi được kết tinh bằng các phương pháp truyền thống.
Cách tiếp cận mới này mở ra nhiều khả năng để tạo ra các vật liệu sinh học kỹ thuật, ngoài các mục tiêu của sinh học cấu trúc.
“Khả năng tạo ra các mạng protein hoạt tính sinh học có liên quan đến nhiều ứng dụng, bao gồm kỹ thuật mô, hệ thống đa enzyme cho các phản ứng sinh hóa, cấu hình protein quy mô lớn cho y học chính xác và sinh học tổng hợp”, tác giả đầu tiên Shih-Ting (Christine) cho biết thêm. ) Wang, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong Nhóm vật liệu nano mềm và sinh học CFN.
>> Tham khảo: Diệt ruồi đục quả cái: Tiềm năng khiến dịch hại giảm mạnh.
Mặc dù DNA được biết đến nhiều nhất với vai trò lưu trữ thông tin di truyền của chúng ta, nhưng chính các quá trình bắt cặp bazơ được sử dụng cho quá trình lưu trữ này có thể được tận dụng để xây dựng các cấu trúc nano mong muốn.
Một chuỗi đơn DNA được tạo thành từ các tiểu đơn vị, hoặc nucleotide, trong đó có bốn loại (được biết đến bằng các chữ cái A, C, T và G). Mỗi nucleotide có một nucleotide bổ sung mà nó thu hút và liên kết với (A với T và C với G) khi hai chuỗi DNA ở gần nhau.
Sử dụng khái niệm này trong kỹ thuật gấp giấy DNA, các nhà khoa học trộn nhiều chuỗi DNA tổng hợp ngắn với một chuỗi DNA dài duy nhất.
Các sợi ngắn liên kết và “gấp” sợi dài thành một hình dạng cụ thể dựa trên trình tự các bazơ mà các nhà khoa học có thể chỉ định.
Trong trường hợp này, các nhà khoa học đã tạo ra DNA origami hình bát diện. Bên trong các khung giống như chiếc lồng này, họ đặt các chuỗi DNA có “màu” hoặc trình tự mã hóa cụ thể tại các vị trí được nhắm mục tiêu (ở giữa và ngoài trung tâm).
Trên bề mặt của protein — đặc biệt là ferritin, chất dự trữ và giải phóng sắt, và apoferritin, chất đối chiếu không chứa sắt của nó — chúng gắn các sợi DNA bổ sung.
>> Tham khảo: Tạo ra một ‘điểm tựa’ mới cho liệu pháp RNA, liệu pháp tế bào và chẩn đoán.
Bằng cách trộn các lồng DNA và protein liên hợp và làm nóng hỗn hợp để thúc đẩy phản ứng, các protein đã đi đến các vị trí được chỉ định bên trong. Họ cũng tạo ra những chiếc lồng rỗng, không có bất kỳ loại protein nào bên trong.
Để kết nối các khối xây dựng kích thước nano này, hoặc protein “voxels” (lồng DNA với protein được bao bọc), trong các mảng 2-D và 3-D mong muốn, tác giả thứ hai và nghiên cứu sinh tiến sĩ Columbia Brian Minevich đã thiết kế các màu khác nhau cho các liên kết bên ngoài của các voxels.
Với cách phối màu này, các điểm ảnh ba chiều sẽ nhận ra nhau theo những cách có thể lập trình, có thể kiểm soát được dẫn đến sự hình thành các loại mạng protein được quy định cụ thể. Để chứng minh tính linh hoạt của nền tảng, nhóm đã xây dựng các mảng 2D một lớp và hai lớp, cũng như các mảng 3D.
Gang giải thích: “Bằng cách sắp xếp các màu theo một cách cụ thể, chúng tôi có thể lập trình sự hình thành của các mạng khác nhau. “Chúng tôi có toàn quyền kiểm soát để thiết kế và xây dựng cấu trúc mạng lưới protein mà chúng tôi muốn.”
Để xác nhận rằng các protein đã được bao bọc bên trong các lồng và các mạng đã được xây dựng như thiết kế, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang các kỹ thuật tán xạ và chụp ảnh dựa trên tia X và tia X khác nhau.
Những kỹ thuật này bao gồm hình ảnh kính hiển vi điện tử (EM) tại CFN; tán xạ tia X góc nhỏ tại Hệ thống tán xạ vật liệu phức hợp nguồn sáng synchrotron II (NSLS-II) quốc gia (CMS) và các chùm tia tán xạ tia X khoa học đời sống (LiX) tại Brookhaven; và hình ảnh EM đông lạnh tại Xưởng đúc phân tử (MF) của Lawrence Berkeley và Trung tâm nghiên cứu khoa học nâng cao CUNY. CFN, NSLS-II và MF đều là Văn phòng Cơ sở Người dùng Khoa học của DOE; CFN và MF là hai trong số năm Trung tâm nghiên cứu khoa học cấp độ nano của DOE.
Gang cho biết: “Khoa học được kích hoạt nhờ khả năng tổng hợp và mô tả đặc tính tiên tiến tại ba cơ sở người dùng trong hệ thống phòng thí nghiệm quốc gia và một cơ sở tại trường đại học. “Nếu không có những cơ sở này và chuyên môn của các nhà khoa học từ mỗi người trong số họ, nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được.”
>> Tham khảo: Các cơ chế biểu sinh để kích hoạt gen đặc hiệu của cha mẹ được giải mã.
Sau những nghiên cứu lắp ráp này, họ đã điều tra hoạt động sinh học của ferritin. Bằng cách thêm một chất phản ứng khử vào mạng ferritin, họ đã tạo ra sự giải phóng các ion sắt từ trung tâm của các protein ferritin.
Minevich cho biết: “Bằng cách theo dõi sự phát triển của các mẫu SAXS trong quá trình giải phóng sắt, chúng tôi có thể định lượng lượng sắt được giải phóng và tốc độ giải phóng, cũng như xác nhận rằng tính toàn vẹn của mạng được duy trì trong quá trình vận hành protein này”. “Theo các nghiên cứu TEM của chúng tôi, các protein vẫn ở bên trong khung.”
Wang giải thích: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng các protein có thể thực hiện chức năng tương tự như chúng thực hiện trong môi trường sinh học trong khi vẫn giữ được tổ chức không gian mà chúng tôi đã tạo ra”.
Tiếp theo, nhóm sẽ áp dụng nền tảng dựa trên DNA của họ cho các loại protein khác, với mục tiêu xây dựng các hệ thống protein hoạt động phức tạp hơn.
Gang cho biết: “Nghiên cứu này thể hiện một bước quan trọng trong việc tập hợp các thành phần khác nhau từ máy móc sinh học thực và sắp xếp chúng thành các kiến trúc 2-D và 3-D mong muốn để tạo ra các vật liệu kỹ thuật và hoạt tính sinh học”. “Thật thú vị vì chúng tôi thấy con đường hợp lý để chế tạo các hệ thống nano sinh học chức năng mong muốn chưa từng được tạo ra bởi tự nhiên.”
