Cách hình thành các protein “ không có gì”

Protein là thành phần quan trọng trong tất cả các dạng sống. Ví dụ, Hemoglobin vận chuyển oxy trong máu của chúng ta; protein quang hợp trong lá cây chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng; các enzym nấm giúp chúng ta ủ bia và nướng bánh mì. Các nhà nghiên cứu từ lâu đã đặt câu hỏi protein đột biến hoặc tồn tại trong hàng thiên niên kỷ ra sao.

Cách protein mới hoàn thiện - và cùng với chúng, những đặc tính mới – thực tế có thể xuất hiện từ không có gì, là điều không thể tưởng tượng được trong nhiều thập kỷ, theo những gì mà nhà triết học Hy Lạp Parmenides đã nói: "Không gì có thể xuất hiện từ không có gì" (ex nihilo nihil fit). Cùng với các đồng nghiệp từ Mỹ và Úc, các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Münster (Đức) hiện đã tái tạo lại cách thức tiến hóa hình thành cấu trúc và chức năng của một loại protein mới xuất hiện ở ruồi. Protein này rất cần thiết cho khả năng sinh sản của giống đực.

Kết quả đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Nghiên cứu cơ bản

Cho đến nay, người ta đã giả định rằng, các protein mới xuất hiện từ các protein đã có - do sự sao chép của các gen cơ bản và bởi một loạt các đột biến nhỏ trong một hoặc cả hai bản sao gen. Tuy nhiên, trong 10 năm qua, có hiểu biết mới về quá trình tiến hóa của protein: protein cũng có thể phát triển từ cái gọi là DNA không mã hóa (axit deoxyribonucleic) —nói cách khác, từ một phần của vật liệu di truyền mà bình thường không sản xuất protein — và sau đó có thể phát triển thành các thành phần chức năng của tế bào.

Điều này gây ngạc nhiên vì một số lý do: trong nhiều năm, người ta cho rằng, để có thể hoạt động được, protein phải có dạng hình học phát triển cao ("cấu trúc 3D"). Người ta còn cho rằng dạng như vậy không thể phát triển từ một gen xuất hiện một cách ngẫu nhiên, mà yêu cầu có sự kết hợp phức tạp của các axit amin cho phép protein này tồn tại dưới dạng chức năng của nó.

Mặc dù đã cố gắng trong nhiều thập kỷ, nhưng các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới vẫn chưa thành công trong việc tạo ra các protein có cấu trúc và chức năng 3D mong muốn, có nghĩa là vẫn chưa biết đến "mã" để hình thành một protein hoạt động về cơ bản. Trong khi nhiệm vụ này vẫn còn là một thách đố đối với các nhà khoa học, thì thiên nhiên đã thành thạo hơn về chứng minh hình thành các protein mới.

Một nhóm các nhà nghiên cứu đứng đầu là giáo sư Erich Bornberg-Bauer, từ Viện Tiến hóa và Đa dạng sinh học tại trường Đại học Münster, đã phát hiện ra, bằng cách so sánh phân tích các bộ gen mới trong nhiều sinh vật, các loài không những khác nhau thông qua nhân đôi các gen mã hóa protein thích nghi trong quá trình tiến hóa, mà còn hình thành các protein liên tục de novo ("một lần nữa") - tức là không có bất kỳ protein tiền thân liên quan nào trải qua một quá trình chọn lọc.

Phần lớn các protein de novo này là vô dụng, hoặc thậm chí có thể gây hại, vì chúng có thể làm trở ngại cho các protein hiện có trong tế bào. Những protein mới như vậy sẽ nhanh chóng bị mất đi một lần nữa sau một vài thế hệ, vì các sinh vật mang gen mới mã hóa protein này bị suy giảm khả năng sống hoặc sinh sản. Tuy nhiên, chứng minh một số protein de novo chọn lọc có các chức năng có lợi. Những protein này tích hợp vào các thành phần phân tử của tế bào và cuối cùng, sau hàng triệu năm các sửa đổi nhỏ, trở thành không thể thiếu.

Có một số câu hỏi quan trọng mà nhiều nhà nghiên cứu thắc mắc trong bối cảnh này: Những protein mới lạ như vậy trông ra sao khi mới sinh ra? Chúng thay đổi như thế nào và chúng được coi là "những đứa trẻ mới trong khối" có những chức năng gì? Nhóm Bornberg-Bauer tại trường Münster dẫn dắt một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã trả lời câu hỏi này rất chi tiết về "Goddard", một loại protein ruồi giấm cần thiết cho khả năng sinh sản của giống đực

Các khu vực hiển thị về tính linh hoạt của protein: không linh hoạt lắm (xanh lam), linh hoạt vừa phải (xanh lá cây / vàng) và rất linh hoạt (đỏ). Tuy nhiên, cả chuỗi xoắn alpha trung tâm và đầu cuối N (đầu cuối của protein) đều hiển thị nếp gấp ổn định so với phần còn lại của protein/ ảnh  Adam Damry

Nghiên cứu được tiến hành trên ba mặt trận liên quan ở ba lục địa. Tại trường Đại học Holy Cross ở Massachusetts, Hoa Kỳ, Tiến sĩ Prajal Patel và giáo sư Geoff Findlay đã sử dụng phương pháp chỉnh sửa bộ gen CRISPR / Cas9 để chỉ ra rằng những con ruồi đực không tạo ra Goddard là vô sinh, nhưng ngược lại thì khỏe mạnh.

Trong khi đó, Tiến sĩ Andreas Lange và nghiên cứu sinh Tiến sĩ Brennen Heames thuộc nhóm Bornberg-Bauer đã sử dụng các kỹ thuật sinh hóa để dự đoán hình dạng của loại protein mới ở ruồi ngày nay. Sau đó, họ sử dụng các phương pháp tiến hóa để tái tạo lại cấu trúc có thể có của Goddard ~ 50 triệu năm trước khi protein lần đầu tiên xuất hiện.

Bornberg-Bauer giải thích: “Những gì họ tìm thấy là một điều khá bất ngờ:“ Protein Goddard của tổ tiên ruồi trông đã rất giống với những protein tồn tại ở loài ruồi ngày nay”. "Ngay từ đầu, Goddard đã chứa một số yếu tố cấu trúc, được gọi là xoắn alpha, được cho là cần thiết cho hầu hết các protein".

Để xác nhận những phát hiện này, trường Đại học Quốc gia Úc ở Canberra, nơi Tiến sĩ Adam Damry và giáo sư Colin Jackson sử dụng các mô phỏng tính toán chuyên sâu để xác minh hình dạng dự đoán của protein Goddard. Họ đã xác thực phân tích cấu trúc của Lange và cho thấy rằng Goddard, mặc dù còn non trẻ, nhưng nó đã khá ổn định - dù không hoàn toàn ổn định như hầu hết các protein ruồi được cho là đã tồn tại lâu hơn, có lẽ hàng trăm triệu năm.

Kết quả phù hợp với một số nghiên cứu khác hiện nay, chỉ ra rằng các yếu tố bộ gen mà từ đó gen mã hóa protein xuất hiện được kích hoạt thường xuyên — hàng chục nghìn lần ở mỗi cá thể. Sau đó "sắp xếp" những mảnh vỡ này thông qua quá trình chọn lọc tiến hóa. Những protein vô dụng hoặc có hại — phần lớn — nhanh chóng bị loại bỏ. Nhưng các protein trung tính, hoặc có lợi đôi chút, có thể được tối ưu hóa trong hàng triệu năm và thay đổi thành một protein hữu ích.

Trường Đại học Münster- Đức

Đỗ Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ