Các nhà nghiên cứu giải quyết vấn đề tìm kiếm sinh học lâu đời

Hình ảnh minh họa/ Internet

Tế bào có thể sửa chữa ADN bị hỏng bằng cách sử dụng một bản sao ADN khác làm khuôn mẫu ra sao đã khiến các nhà nghiên cứu trăn trở trong nhiều năm.

Làm thế nào nó có thể tìm thấy các trình tự chính xác trong tế bào hỗn độn? Các nhà nghiên cứu từ trường đại học Uppsala, Thụy Điển đã tìm ra giải pháp;

Bạn sẽ dễ dàng tìm thấy một sợi dây hơn một quả bóng nếu bạn bị bịt mắt. Khi một phân tử ADN bị đứt làm đôi, số phận của tế bào bị đe dọa. Đối với một vi khuẩn, sửa chữa vết đứt nhanh chóng là một vấn đề sinh tử. Nhưng để sửa chữa ADN mà không đưa ra những sai sót trong trình tự là một thách thức; máy móc sửa chữa cần tìm một bản mẫu.

Quá trình chữa lành ADN bị hỏng bằng cách sử dụng một khuôn mẫu từ một nhiễm sắc thể chị em được gọi là tái tổ hợp tương đồng và trong các tài liệu đã mô tả kỹ càng. Tuy nhiên, mô tả thường bỏ qua nhiệm vụ khó khăn là tìm ra mẫu phù hợp giữa tất cả các trình tự bộ gen khác. Nhiễm sắc thể là một cấu trúc phức tạp với hàng triệu cặp mã di truyền cơ sở và rõ ràng là sự khuếch tán đơn giản trong 3D sẽ không đủ nhanh bằng một bức ảnh dài.

Nhưng sau đó, thực hiện nó ra sao? Đây là bí ẩn của sự tái tổ hợp tương đồng trong 50 năm. Từ các nghiên cứu trước đây, quá trình tìm kiếm phân tử RecA có liên quan là rất cần thiết, nhưng cho đến nay, hiểu biết của chúng ta về quá trình này còn hạn chế.

Hiện nay, một nhóm các nhà nghiên cứu Uppsala do giáo sư Johan Elf dẫn dắt cuối cùng đã tìm ra lời giải cho bí ẩn tìm kiếm này. Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, họ sử dụng một kỹ thuật dựa trên CRISPR để tạo ra các đứt gãy ADN có kiểm soát ở vi khuẩn.

Bằng cách nuôi cấy các tế bào trong chip vi lưu và theo dõi các phân tử RecA được dán nhãn bằng kính hiển vi huỳnh quang, các nhà nghiên cứu có thể thấy hình ảnh quá trình tái tổ hợp tương đồng từ đầu đến cuối.

Jakub Wiktor, một trong những nhà hậu nghiên cứu cho biết: “Chíp vi lưu cho phép chúng tôi theo dõi số phận của hàng nghìn vi khuẩn đồng thời và kiểm soát kịp thời các đứt gãy ADN do CRISPR gây ra. Nó rất chính xác, gần giống như một chiếc kéo ADN nhỏ”.

Nhãn trên RecA cùng với các điểm đánh dấu huỳnh quang trên ADN cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi chính xác từng bước của quy trình; chẳng hạn, họ kết luận rằng trung bình toàn bộ quá trình sửa chữa hoàn thành trong 15 phút và mẫu nằm trong khoảng số 9.

Sử dụng kính hiển vi, Elf và nhóm của mình theo dõi số phận của vị trí đứt gãy và bản sao tương đồng của nó trong thời gian thực. Họ cũng phát hiện ra rằng, tế bào phản ứng bằng cách sắp xếp lại RecA để tạo thành các sợi mảnh kéo dài theo chiều dọc của tế bào.

Arvid Gynnå, người đã làm việc trong dự án trong suốt quá trình nghiên cứu Tiến sĩ của mình cho biết: “Chúng tôi có thể thấy sự hình thành của một cấu trúc mỏng, linh hoạt nhô ra khỏi vị trí đứt gãy ngay sau khi ADN bị tổn thương. Vì kết nối các đầu ADN vào sợi này, nên chỉ cần bất kỳ phần nào của sợi này cũng tìm thấy khuôn mẫu quý giá và do đó giảm việc tìm kiếm về mặt lý thuyết từ ba xuống hai chiều. Mô hình của chúng tôi cho thấy rằng, đây là phần chính để sửa chữa tương đồng nhanh chóng và thành công”.

Chuyển từ tìm kiếm 3D sang 2D thực sự là một cải tiến đáng kể liên quan đến xác suất tìm thấy chuỗi tương đồng đủ nhanh và đó là tất cả.

Theo nhà toán học Nhật Bản, Shizuo Kakutani đã nói: "Một người đàn ông say rượu sẽ tìm được đường về nhà, nhưng một con chim say rượu có thể bị lạc mãi mãi".

Ông đã cố gắng giải thích một sự thật gây tò mò: “Một vật thể khám phá bề mặt 2D bằng cách đi bộ ngẫu nhiên sẽ sớm hay muộn sẽ tìm được đường trở lại điểm xuất phát của nó trong khi ở trong không gian 3D, có khả năng nó sẽ không bao giờ trở về (nhà)”.

Các nhà nghiên cứu Uppsala đã thực hiện công việc của họ trên sinh vật mẫu E. coli, nhưng quá trình sửa chữa tương đồng gần như giống hệt nhau đối với các sinh vật bậc cao như chúng ta hoặc chim bồ câu đối với vấn đề này.

Tổn thương ADN xảy ra thường xuyên trong cơ thể chúng ta và nếu không có khả năng chữa lành ADN bị hỏng, chúng ta sẽ cực kỳ dễ bị tổn thương, chẳng hạn như tia UV và các loại oxy phản ứng và có nhiều khả năng phát triển thành ung thư.

Trên thực tế, hầu hết các gen sinh ung thư đều liên quan đến việc sửa chữa ADN và những hiểu biết về cơ học mới có thể giúp chúng ta hiểu được nguyên nhân của sự phát triển khối u.

Trường đại học Uppsala, Thụy Điển

Tố Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ