Độc tố nấm ngăn chặn quá trình sản xuất protein trong tế bào

Trong quá trình tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính tác động đến những quá trình cơ bản trong tế bào người, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bern đã phát hiện một độc tố nấm có những đặc tính đáng ngạc nhiên. Độc tố này làm ngừng hoạt động các "nhà máy protein" của tế bào. Nghiên cứu cung cấp những hiểu biết quan trọng về một trong những quá trình sinh học cơ bản nhất, đó là quá trình sản xuất protein và về lâu dài có thể mở ra những hướng đi mới trong việc phát triển các chiến lược điều trị.

Mọi tế bào trong cơ thể chúng ta đều phụ thuộc vào protein để tăng trưởng, sửa chữa, chống lại mầm bệnh và hầu hết các quá trình sống khác. Những protein này được tạo ra bởi các "nhà máy protein" siêu nhỏ, gọi là ribosome. Sự rối loạn trong quá trình sản xuất protein có liên quan đến các bệnh như ung thư, rối loạn phát triển và nhiễm virus. Vì vậy, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang tìm kiếm những chất có tác động đặc hiệu đến quá trình sản xuất protein, nhằm hiểu rõ hơn cách hoạt động của ribosome và phát triển các hướng điều trị mới.

Một nhóm nghiên cứu tại Khoa Hóa học, Hóa sinh và Khoa học Dược (Department of Chemistry, Biochemistry and Pharmaceutical Sciences, DCBP) thuộc Đại học Bern vừa phát triển một phương pháp mới để xác định một cách đặc hiệu các chất ảnh hưởng đến chức năng của ribosome. Nghiên cứu cho thấy một độc tố nấm cụ thể làm chậm quá trình sản xuất protein và đưa các "nhà máy protein" của tế bào vào một dạng trạng thái ngủ yên. Nghiên cứu được thực hiện phối hợp với Biomolecular Screening Facility tại EPFL và Cryo-EM Knowledge Hub tại ETH Zurich và gần đây đã được công bố trên tạp chí Communications Biology.

28.000 chất khác nhau được thử nghiệm bằng phương pháp của Bern

Để tìm kiếm một cách đặc hiệu các chất ảnh hưởng đến quá trình sản xuất protein, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bern không sử dụng các thử nghiệm truyền thống trên tế bào sống, vì những thử nghiệm này quá phức tạp để chứng minh một tác động trực tiếp. Thay vào đó, họ phát triển một hệ thống thử nghiệm mô phỏng quá trình sản xuất protein của người bên ngoài tế bào sống. Bằng hệ thống này, họ đã thử nghiệm 28.000 chất khác nhau và đo lượng protein được tạo ra trong từng trường hợp. "Bằng cách giản lược tế bào về những thành phần thiết yếu, có thể nói như vậy, chúng tôi có thể kiểm tra rất chính xác liệu một chất có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất protein của người hay không", Nino Schwaller, tác giả thứ nhất của nghiên cứu và là học viên cao học tại DCBP, giải thích. Schwaller cho biết thêm: "Nhờ phương pháp mới, chúng tôi có thể khảo sát tác động của các độc tố môi trường và các hợp chất có hoạt tính tiềm năng lên một trong những quá trình sinh học cơ bản nhất của sự sống, cụ thể là quá trình sản xuất protein, với độ chính xác cao hơn nhiều so với trước đây".

Độc tố nấm mốc trong ngũ cốc nhắm vào các mục tiêu cụ thể

Trong số nhiều chất được thử nghiệm, độc tố nấm NT2, do các loài nấm ngũ cốc thuộc chi Fusarium sinh ra, đặc biệt nổi bật. Những loài nấm này xâm nhiễm lúa mì, lúa mạch, yến mạch và ngô, gây hại cho cây trồng và làm ô nhiễm thực phẩm cũng như thức ăn chăn nuôi. Nhóm nghiên cứu hiện đã chứng minh rằng độc tố nấm NT-2 này gắn trực tiếp vào ribosome. "Chúng tôi đặc biệt ấn tượng trước mức độ chính xác mà độc tố tự nhiên này nhắm vào các nhà máy protein của tế bào", Schwaller cho biết. Một quan sát còn đáng ngạc nhiên hơn: "Về cơ bản, cấu trúc của ribosome rất giống nhau ở thực vật, động vật và nấm, vì vậy có thể dự đoán NT-2 cũng gắn vào ribosome ở các sinh vật này và ngăn chặn quá trình sản xuất protein của chúng. Tuy nhiên, điều thú vị là tế bào của các loài nấm sinh ra độc tố này dường như tự được bảo vệ khỏi NT-2", Schwaller giải thích. Nghiên cứu giúp chúng ta hiểu cách các độc tố nấm từ ngũ cốc bị nhiễm có thể làm gián đoạn các quá trình then chốt trong tế bào người.

Ribosome vẫn ở "chế độ ngủ"

Phát hiện đáng ngạc nhiên nhất của nhóm nghiên cứu xuất hiện khi họ khảo sát kỹ hơn các ribosome từ tế bào đã được xử lý bằng NT-2. Một tỷ lệ lớn ribosome ở trạng thái ổn định nhưng không hoạt động. "Bạn có thể hình dung các nhà máy protein của tế bào bị chuyển sang chế độ ngủ mà chúng không thể tự thức dậy được nữa", TS. Evangelos Karousis, tác giả chính của nghiên cứu và là trưởng nhóm nghiên cứu tại DCBP, Đại học Bern, giải thích. Ông nói thêm: "Những quan sát của chúng tôi có thể giải thích vì sao một số độc tố môi trường hoặc thuốc để lại những dấu vết lâu dài trong tế bào".

Nghiên cứu mới liên kết nhiều lĩnh vực nghiên cứu: nghiên cứu cho thấy một độc tố từ nấm ngũ cốc can thiệp vào một trong những quá trình cơ bản nhất của tế bào người như thế nào, cung cấp những hiểu biết mới về chức năng của ribosome, đồng thời giới thiệu một phương pháp để xác định một cách đặc hiệu các chất ảnh hưởng đến quá trình sản xuất protein. "Nhiều bệnh nghiêm trọng có liên quan đến việc tế bào sản xuất quá nhiều, quá ít hoặc sai protein", Karousis nói. "Nếu hiểu rõ hơn cách các nhà máy protein này có thể bị làm chậm lại hoặc được chủ động đưa vào trạng thái nghỉ, điều này cuối cùng có thể giúp phát triển các phương pháp điều trị mới". Đại học Bern là một trong những trung tâm hàng đầu trong việc phát triển các phương pháp đổi mới để phân tích các quá trình tế bào. Nền tảng thử nghiệm được giới thiệu lần này là một ví dụ tiêu biểu cho thấy các nhà nghiên cứu tại Bern tạo ra những công cụ gắn kết chặt chẽ hơn nghiên cứu cơ bản với các ứng dụng y học trong tương lai. Ở bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu dự định tìm hiểu trong những điều kiện nào các ribosome "đang ngủ" có thể được tái hoạt hóa và trạng thái nghỉ đặc biệt này phổ biến đến mức nào trong tế bào, chẳng hạn trong điều kiện stress, bệnh tật hoặc khi tiếp xúc với các độc tố môi trường khác.

Phạm Thành Nhân theo Đại học Bern.