RNA được biết đến nhiều nhất với tư cách là phân tử dịch thông tin được mã hóa trong gen thành protein với vô số hoạt động của chúng.
Tuy nhiên, do cấu trúc phức tạp và tính ổn định tương đối của chúng, RNA cũng đã thu hút được sự chú ý lớn với tư cách là một vật liệu sinh học có giá trị có thể được sử dụng để tạo ra các loại liệu pháp mới, dấu ấn sinh học tổng hợp và tất nhiên là vắc-xin mạnh như chúng ta đã học được từ COVID- 19 đại dịch.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu khuyến khích các nhà bán lẻ sử dụng AI để phục vụ khách hàng tốt hơn.
Việc cung cấp một phân tử RNA tổng hợp vào một tế bào về cơ bản sẽ hướng dẫn nó tạo ra một loại protein mong muốn, sau đó có thể thực hiện các chức năng điều trị, chẩn đoán và các chức năng khác.
Thách thức chính đối với các nhà nghiên cứu là chỉ cho phép các tế bào gây ra hoặc bị ảnh hưởng bởi một bệnh cụ thể biểu hiện protein chứ không phải các tế bào khác.
Khả năng này có thể hợp lý hóa đáng kể quá trình sản xuất protein trong cơ thể và tránh các tác dụng phụ không mong muốn.
Giờ đây, một nhóm các nhà sinh học tổng hợp và kỹ sư tế bào do James J. Collins, Ph.D. tại Viện Wyss về Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), đã phát triển eToeholds — các thiết bị linh hoạt nhỏ được tích hợp trong RNA cho phép biểu hiện trình tự mã hóa protein được liên kết chỉ khi có RNA của virus hoặc tế bào cụ thể.
Các thiết bị eToehold mở ra nhiều cơ hội cho các loại trị liệu RNA được nhắm mục tiêu nhiều hơn, các phương pháp tiếp cận kỹ thuật mô và tế bào trong ống nghiệm cũng như cảm nhận các mối đe dọa sinh học đa dạng ở người và các sinh vật bậc cao khác. Những phát hiện được báo cáo trong Công nghệ sinh học tự nhiên.
Vào năm 2014, nhóm của Collins, cùng với tiến sĩ Peng Yin, thành viên Khoa Wyss Core, đã phát triển thành công công tắc giữ chân cho vi khuẩn được biểu hiện ở trạng thái không hoạt động và phản ứng với các RNA kích hoạt cụ thể bằng cách kích hoạt quá trình tổng hợp một protein mong muốn bởi bộ máy tổng hợp protein của vi khuẩn.
>> Tham khảo: Một thử nghiệm nhanh hơn để tìm và nghiên cứu các cấu trúc liên kết vật liệu.
Tuy nhiên, thiết kế chân vi khuẩn không thể được sử dụng trong các tế bào phức tạp hơn, bao gồm cả tế bào người, với cấu trúc phức tạp hơn và bộ máy tổng hợp protein.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các yếu tố IRES [các vị trí xâm nhập ribosome bên trong], một loại yếu tố kiểm soát phổ biến ở một số loại vi-rút, khai thác bộ máy dịch mã protein của sinh vật nhân thực và biến chúng từ đầu thành các thiết bị linh hoạt có thể được lập trình để cảm nhận.
Collins cho biết các RNA kích hoạt tế bào hoặc mầm bệnh cụ thể trong tế bào người, nấm men và thực vật. “eToeholds có thể cho phép các phương pháp chẩn đoán và điều trị RNA cụ thể hơn và an toàn hơn không chỉ ở người mà còn ở thực vật và các sinh vật bậc cao khác, đồng thời được sử dụng làm công cụ trong nghiên cứu cơ bản và sinh học tổng hợp.”
Các yếu tố kiểm soát được gọi là “các vị trí xâm nhập ribosome bên trong”, viết tắt là IRES, là các trình tự được tìm thấy trong RNA của virus cho phép các ribosome tổng hợp protein của tế bào chủ truy cập vào một đoạn của bộ gen virus bên cạnh trình tự mã hóa protein của virus.
Sau khi bám vào RNA, các ribosome bắt đầu quét trình tự mã hóa protein, đồng thời tổng hợp protein bằng cách bổ sung tuần tự các axit amin tương ứng vào đầu đang phát triển của nó.
“Chúng tôi đã cải tiến các trình tự IRES bằng cách đưa vào các trình tự bổ sung liên kết với nhau để tạo thành các cấu trúc ghép cặp bazơ ức chế, ngăn không cho ribosome liên kết với IRES,” đồng tác giả đầu tiên Evan Zhao, Ph.D., cho biết. Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của Collins.
>> Tham khảo: Sự tiến hóa của rễ cây có thể đã dẫn đến sự tuyệt chủng hàng loạt.
“Phần tử trình tự mã hóa vòng kẹp tóc trong eToeholds được thiết kế sao cho nó trùng lặp với các trình tự cảm biến cụ thể bổ sung cho RNA kích hoạt đã biết. Khi RNA kích hoạt xuất hiện và liên kết với phần bổ sung của nó trong eToeholds, vòng kẹp tóc sẽ mở ra và ribosome có thể bật để thực hiện công việc của mình và sản xuất protein.”
Zhao đã hợp tác với đồng tác giả đầu tiên và Tiến sĩ Angelo Mao, Thành viên Phát triển Công nghệ Wyss, trong dự án eToehold, cho phép họ kết hợp các lĩnh vực chuyên môn tương ứng của mình trong sinh học tổng hợp và kỹ thuật tế bào để tạo ra bước đột phá mới trong việc thao túng trình tự IRES.
Trong một quá trình lặp lại nhanh chóng, họ đã có thể thiết kế và tối ưu hóa eToehold có chức năng trong tế bào người và nấm men, cũng như các thử nghiệm tổng hợp protein không có tế bào. Họ đã đạt được cảm ứng gấp 16 lần các gen phóng huỳnh quang được liên kết riêng với eToeholds khi có các RNA kích hoạt thích hợp của chúng, so với các RNA đối chứng.
“Chúng tôi đã thiết kế eToeholds phát hiện cụ thể tình trạng lây nhiễm vi rút Zika và sự hiện diện của RNA vi rút SARS-CoV-2 trong tế bào người và các eToeholds khác được kích hoạt bởi các RNA dành riêng cho tế bào, chẳng hạn như một RNA chỉ biểu hiện trong các tế bào hắc tố da.”
Mao nói. “Điều quan trọng là eToeholds và các trình tự mã hóa các protein mong muốn được liên kết với chúng có thể được mã hóa trong các phân tử DNA ổn định hơn, khi được đưa vào tế bào sẽ được chuyển đổi thành các phân tử RNA phù hợp với loại biểu hiện protein mà chúng tôi dự định. Điều này mở rộng khả năng của eToehold phân phối đến các tế bào mục tiêu.”
Các nhà nghiên cứu tin rằng nền tảng eToehold của họ có thể giúp nhắm mục tiêu các liệu pháp RNA và một số liệu pháp gen cho các loại tế bào cụ thể, điều này rất quan trọng vì nhiều liệu pháp như vậy bị cản trở bởi quá nhiều độc tính ngoài mục tiêu.
Ngoài ra, nó có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các phương pháp biệt hóa ex vivo hướng dẫn các tế bào gốc theo lộ trình phát triển để tạo ra các loại tế bào cụ thể cho các liệu pháp tế bào và các ứng dụng khác.
>> Tham khảo: Nanocarrier spray: Cây trồng tốt hơn mà không cần biến đổi gen.
Việc chuyển đổi tế bào gốc và tế bào trung gian dọc theo nhiều dòng tế bào khác biệt thường không hiệu quả lắm và eToeholds có thể giúp làm phong phú các loại tế bào mong muốn.
“Nghiên cứu này nêu bật cách Jim Collins và nhóm của anh ấy trên nền tảng Thiết bị tế bào sống Wyss đang phát triển các công cụ cải tiến có thể thúc đẩy sự phát triển của các liệu pháp tế bào và RNA cụ thể, an toàn và hiệu quả hơn, đồng thời tác động tích cực đến cuộc sống của nhiều bệnh nhân, ” Giám đốc Sáng lập Wyss Donald Ingber, M.D., Ph.D., đồng thời là Giáo sư Sinh học Mạch máu Judah Folkman tại Trường Y Harvard và Bệnh viện Nhi đồng Boston, đồng thời là Giáo sư Kỹ thuật Sinh học tại Trường Kỹ thuật và Ứng dụng Harvard John A. Paulson Khoa học.
Các tác giả khác của nghiên cứu là Helena de Puig, Ph.D., Kehan Zhang, Ph.D., Nathaniel Tippens, Ph.D., Xiao Tan, M.D., F. Ann Ran, Ph.D., Trợ lý nghiên cứu của Wyss, Isaac Han, Peter Nguyen, Ph.D., Emma Chory, Ph.D., Tiffany Hua, Pradeep Ramesh, Ph.D., Wyss Staff Scientist David Thompson, Ph.D., Crystal Yuri Oh, Eric Zigon, và Max English . Nghiên cứu được tài trợ bởi các khoản trợ cấp từ BASF, NIH (dưới khoản trợ cấp #RC2 DK120535-01A1) và Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học Wyss.
