Tương tác DNA- Peptide có thể giúp hình thành cấu trúc sinh học

Tương tác axit deoxyribonucleic (DNA) - protein là cực kỳ quan trọng trong sinh học. Ví dụ, mỗi tế bào của con người chứa đựng một lượng DNA dài khoảng 2 mét, nhưng “đóng gói“ tế bào trong một không gian nhỏ hơn khoảng một triệu lần. Thông tin trong DNA này cho phép tế bào tự sao chép. Chủ yếu thực hiện quá trình “đóng gói” này trong tế bào bằng cách bọc DNA xung quanh protein. Do đó, DNA và protein tương tác ra sao là điều vô cùng quan trọng đối với các nhà khoa học đang cố gắng tìm hiểu cách tự tổ chức sinh học.

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện Khoa học Trái đất-Sự sống (ELSI) , Viện Công nghệ Tokyo và Viện Pierre-Gilles de Gennes, ESPCI Paris, trường Đại học PSL cho thấy, sự tương tác của DNA và protein có khuynh hướng sâu xa để hình thành các cấu trúc có trật tự như cấu trúc cho phép “đóng gói” hiệu quả DNA trong tế bào.  

Về cơ bản tế bào sống kiểu mới do một vài lớp phân tử lớn cấu tạo thành. DNA nhận được sự chú ý lớn nhất vì nó là kho lưu trữ thông tin mà các tế bào sử dụng để tự xây dựng từ thế hệ này sang thế hệ khác. DNA giàu thông tin này thường tồn tại dưới dạng một chuỗi kép gồm hai polyme bao quanh nhau, phần lớn DNA chứa thông tin bị che khuất đối với môi trường bên ngoài vì các phần mang thông tin của các phân tử tham gia cùng với phần sợi bổ sung của chúng.

Khi DNA được sao chép thành axit ribonucleic (RNA), các sợi của nó bị kéo ra xa nhau để cho phép các bề mặt phức tạp hơn của nó tương tác, giúp nó được sao chép thành các polyme RNA sợi đơn. Các polyme RNA này cuối cùng cũng được các quá trình sinh học đọc ra thành các protein, là các polyme của nhiều loại axit amin có đặc tính bề mặt cực kỳ phức tạp. Do đó, có thể đoán được phần nào về hoạt hóa của DNA và RNA như là polyme, trong khi protein thì không.

Các phân tử Polyme, những cấu tạo phân tử nhỏ hoặc lặp đi lặp lại này có thể cho thấy các hoạt động phức tạp khi trộn với các hóa chất khác, đặc biệt khi hòa tan trong dung môi như nước. Các nhà hóa học đã phát triển một bộ thuật ngữ phức tạp về cách các hợp chất hoạt động khi chúng được trộn lẫn. Ví dụ, các protein trong sữa bò được coi là một hỗn hợp dạng keo (hoặc hỗn hợp lơ lửng không tinh thể đồng nhất, không lắng và không thể tách ra bằng phương pháp vật lý) trong nước. Khi thêm nước chanh vào sữa, các protein lơ lửng sẽ tự tổ chức lại để tự hình thành tổ chức có thể nhìn thấy được của sữa đông, chúng tách ra thành một giai đoạn mới.

Có nhiều dạng khác của hiện tượng này mà các nhà hóa học đã phát hiện ra trong nhiều năm, ví dụ, tinh thể lỏng (LC). LCs được hình thành khi một phân tử có hình dạng kéo dài hoặc xu hướng tạo ra các tập hợp tuyến tính (giống như chồng các phân tử lên nhau). Vật liệu tạo thành cho thấy hỗn hợp các đặc tính của tinh thể và chất lỏng. Do đó, vật liệu có một mức độ trật tự nhất định giống như một chất rắn (ví dụ, sự định hướng song song của các phân tử) nhưng vẫn giữ được hoạt tính của nó (các phân tử có thể dễ dàng trượt vào nhau). Tất cả chúng ta đều trải nghiệm tinh thể lỏng trong các màn hình khác nhau mà chúng ta thấy hàng ngày "LCD" hoặc màn hình tinh thể lỏng, sử dụng các đặc tính biến đổi này để tạo ra hình ảnh mà chúng ta thấy trên màn hình thiết bị của mình.

Nghiên cứu của Fraccia và Jia đã chỉ ra rằng, DNA và peptit sợi kép có thể tạo ra nhiều pha LC khác nhau theo một cách rất đặc biệt. Các LC thực sự hình thành trong các giọt không có màng, được gọi là coacervate (là các giọt tụ tạo bởi các dung dịch keo hòa tan vào nhau mà thành phần dung dịch keo chính là những hợp chất hữu cơ cao phân từ hòa tan trong nước. Đây được xem là một dạng sống nguyên thủy, nơi DNA và peptit được đồng tập hợp và sắp xếp một cách tự nhiên.

Quá trình này đưa DNA và peptide đến nồng độ rất cao, có thể so sánh với nồng độ của nhân tế bào, gấp 100-1000 lần so với dung dịch rất loãng ban đầu. (Đây là nồng độ tối đa có thể đạt được trên Trái đất thời sơ khai). Do đó, hành vi tự phát như vậy về nguyên tắc có thể hỗ trợ việc hình thành các cấu trúc giống tế bào đầu tiên trên Trái đất thời sơ khai, sẽ tận dụng lợi thế của ma trận LC có trật tự, nhưng linh hoạt để đạt được chức năng và ổn định, đồng thời có lợi cho sự phát triển và tiến hóa của các phân tử sinh học nguyên thủy. 

Khoảng cách giữa thời điểm các thuộc tính bậc cao này bắt đầu xuất hiện không phải lúc nào cũng rõ ràng. Khi các phân tử tương tác ở cấp độ phân tử, chúng thường "tự tổ chức". Người ta có thể nghĩ đến quá trình thêm cát vào một đống cát. Khi người ta rắc ngày càng nhiều cát vào một đống, nó có xu hướng hình thành trạng thái cuối cùng "năng lượng thấp" — một đống. Mặc dù việc bổ sung các hạt cát có thể khiến cục bộ hình thành một số cấu trúc mới, nhưng tại một số điểm, việc bổ sung thêm một hạt nữa có thể gây ra lở cát trong đống cát có dạng hình nón đó.

Mặc dù tất cả chúng ta đều được hưởng lợi từ sự tồn tại của những hiện tượng này, nhưng cộng đồng khoa học vẫn đang nghiên cứu tác động của kiểu tự tổ chức này, Jia và Fraccia lập luận. Sự kết hợp của các hiệu ứng tự tổ chức vật chất tập thể này có thể phù hợp ở nhiều quy mô sinh học và có thể quan trọng đối với sự chuyển đổi cấu trúc phân tử sinh học trong sinh lý tế bào và bệnh tật.

Đặc biệt, các nhà nghiên cứu phát hiện ra các cấu trúc tinh thể lỏng khác nhau có thể được tiếp cận liên tục chỉ bằng những thay đổi trong điều kiện môi trường, thậm chí đơn giản như những thay đổi về độ mặn hoặc nhiệt độ. Với nhiều tình huống chưa được khám phá, công trình này cho thấy, trong tương lai gần có thể phát hiện nhiều trung mô LC tự tổ chức mới với chức năng sinh học tiềm năng.

Sự hiểu biết mới về tự tổ chức sinh học này cũng có thể rất quan trọng để hiểu cách cuộc sống tự tổ chức hình thành cuộc sống ngay từ đầu. Hiểu được cách mà các tập hợp phân tử nguyên thủy có thể tự cấu trúc thành các tập hợp hoạt động chung mở ra con đường quan trọng của nghiên cứu trong tương lai.

Đồng tác giả Jia nói: "Khi mọi người nghe nói về tinh thể lỏng, họ có thể nghĩ đến màn hình TV và các ứng dụng kỹ thuật. Tuy nhiên, rất ít người sẽ nghĩ ngay đến khoa học cơ bản. Hầu hết các nhà nghiên cứu thậm chí sẽ không tạo ra mối liên hệ giữa LC và nguồn gốc của sự sống. Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này sẽ giúp tăng cường sự hiểu biết của mọi người về LCs trong bối cảnh nguồn gốc của sự sống".

Cuối cùng, nghiên cứu này cũng có thể liên quan đến bệnh tật. Ví dụ, những khám phá gần đây về các bệnh như Alzheimer, Parkinson, bệnh Huntington và ALS (bệnh Lou Gehrig) đã chỉ ra sự chuyển đổi và phân tách giai đoạn nội bào dẫn đến các giọt không màng là nguyên nhân tiềm ẩn gây bệnh chính.

Các nhà nghiên cứu lưu ý, mặc dù công việc của họ bị ảnh hưởng nặng nề do đại dịch, nhưng họ vẫn cố gắng hết sức để tiếp tục làm việc trong điều kiện ngừng hoạt động toàn cầu và hạn chế đi lại.

Trương Tố Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager – Hoa Kỳ