Biến chất độc nguy hại thành cảm biến sinh học

Một số loại vi khuẩn có khả năng đục lỗ các tế bào khác và tiêu diệt chúng. Để làm được điều đó, chúng đã giải phóng các protein chuyên biệt được gọi là "độc tố đục lỗ" (PFT) bám vào màng tế bào và tạo thành một rãnh giống như ống đi qua nó. Cấu trúc này trên màng được gọi là lỗ. Tế bào đích bị đâm thủng bởi nhiều PFT, nên tự hủy.

Tuy nhiên, ngoài việc gây nhiễm khuẩn, PFT được quan tâm nhiều hơn. Các lỗ kích thước nano mà chúng tạo thành, được sử dụng để cảm biến các phân tử sinh học: Một phân tử sinh học như ADN hoặc ARN, đi qua lỗ nano giống như một chuỗi được điều khiển bởi điện áp và các thành phần riêng lẻ của nó (ví dụ, axit nucleic trong ADN) phát ra tín hiệu điện riêng biệt có thể đọc được. Trên thực tế, cảm biến lỗ nano đã có mặt trên thị trường như một công cụ chính để lập trình tự ADN hoặc ARN.

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu là Matteo Dal Peraro tại trường Đại học Bách khoa liên bang Lausanne (EPFL) đã nghiên cứu một PFT quan trọng khác có thể được sử dụng hiệu quả cho cảm biến phức tạp hơn như lập trình tự protein. Độc tố aerolysin, được sản sinh bởi vi khuẩn aeromonas hydrophila và là "thành viên sáng lập" dòng PFT chính được tìm thấy trên nhiều sinh vật.

Một trong những ưu điểm chính của aerolysin là nó hình thành các lỗ rất hẹp có thể phân biệt các phân tử có độ phân giải cao hơn nhiều so với các độc tố khác.

Trước đây, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng aerolysin có thể được sử dụng để "cảm biến" một số phân tử sinh học, nhưng đã có một số nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc của aerolysin và khả năng cảm biến phân tử của nó.

Đầu tiên, các nhà khoa học đã sử dụng mô hình cấu trúc của aerolysin để nghiên cứu cấu trúc của nó nhờ các mô phỏng máy tính. Protein aerolysin được tạo thành từ các axit amin và mô hình đã giúp các nhà khoa học hiểu cách các axit amin đó ảnh hưởng đến chức năng của aerolysin nói chung.

Khi hiểu được mối quan hệ đó, các nhà nghiên cứu đã biến đổi các axit amin trong mô hình máy tính một cách chiến lược. Sau đó, mô hình đã dự đoán tác động có thể của mỗi thay đổi đối với chức năng tổng thể của aerolysin.

Vào cuối quá trình tính toán, TS. Chan Cao, tác giả chính của nghiên cứu, đã tạo ra 16 lỗ biến đổi gen, "đột biến" và nhúng chúng vào hai lớp lipit để mô phỏng vị trí của chúng trong màng tế bào và thực hiện các phép đo khác nhau để tìm hiểu cách độ dẫn ion, độ chọn lọc ion và tính chất chuyển vị của lỗ aerolysin được điều chỉnh ở cấp độ phân tử.

Nhờ có phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy yếu tố thúc đẩy mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của aerolysin, đó là nắp của nó. Lỗ aerolysin không chỉ là một ống đi qua màng, mà còn có cấu trúc giống như nắp thu hút và xâu chuỗi phân tử mục tiêu, "kéo" nó qua rãnh của lỗ.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chính trạng thái tĩnh điện tại khu vực nắp này quyết định mối quan hệ này.

Thông qua tìm hiểu chi tiết cách cấu trúc của lỗ aerolysin kết nối với chức năng của nó, giờ đây, chúng tôi có thể thiết kế lỗ tùy chỉnh cho các ứng dụng cảm biến khác nhau", Dal Peraro – đồng tác giả công trình nghiên cứu cho biết. Điều này sẽ mở ra những cơ hội mới, chưa được khám phá để sắp xếp các phân tử sinh học như ADN, protein và sửa đổi sau dịch mã của chúng với các ứng dụng triển vọng trong lập trình tự gen và phát hiện chỉ dấu sinh học phục vụ chẩn đoán.

Các nhà khoa học đã xin cấp sáng chế cho khả năng lập trình tự và đặc tính của các lỗ aerolysin biến đổi gen.

Nguồn: NASATI