|
 Đang trực tuyến :
16 |
|
 Số lượt truy cập :
33359778 |
|
|
|
|
|
Sử dụng công nghệ ADN nano để tái tạo enzym trong môi trường bên ngoài tế bào
Thứ ba, 03-06-2014 | 08:15:59
|
|
Sử dụng các phân tử ADN như một giàn giáo xây dựng, các nhà khoa học thuộc trường Đại học bang Arizona (ASU) cộng tác với các đồng nghiệp thuộc trường Đại học Michigan đã phát triển dòng enzym nhân tạo 3-D mô phỏng một chu trình sinh hóa có thể đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng y sinh và năng lượng tương lai.
Công trình nghiên cứu được thực hiện dưới sự lãnh đạo của Giáo sư Hao Yan thuộc ASU, tham gia nhóm nghiên cứu gồm có các nhà nghiên cứu thuộc Viện Thiết kế sinh học của ASU, cùng với các cộng sự là các giáo sư, tiến sĩ thuộc trường Đại học Michigan. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nature Nanotechnology.
Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ ADN nano thường lợi dụng khả năng liên kết của các khối đơn nguyên hóa học ADN để điều khiển tự lắp ráp ADN và liên kết xoắn thành những cấu trúc không gian 2 và 3 chiều theo nhiều cách sáng tạo, phục vụ cho các ứng dụng y tế, điện tử và năng lượng.
Trong đột phá mới nhất này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc bắt chước enzym trong môi trường nằm ngoài ranh giới thân thiện tế bào. Các enzym này có tác dụng thúc đẩy nhanh các phản ứng hóa học, trong cơ thể chúng ta chúng đóng vai trò thúc đẩy chuyển hóa thức ăn thành đường và năng lượng.
"Chúng tôi lấy nguồn cảm hứng từ tự nhiên để xây dựng các hệ thống phân tử nhân tạo mô phỏng các cỗ máy kích thước nano tinh xảo phát triển trong các hệ thống sinh học hữu sinh và chúng tôi đã thiết kế một cách hợp lý các giàn giáo phân tử nano để đạt được kiến trúc phỏng sinh học ở cấp độ phân tử" - Giáo sư Yan, Giám đốc Trung tâm Phỏng sinh học và thiết kế phân tử thuộc ASU cho biết.
Đối với enzym, tất cả các bộ phận chuyển động cần phải được kiểm soát và phối hợp chặt chẽ, nếu không phản ứng sẽ không xảy ra. Các bộ phận chuyển động bao gồm các phân tử như các chất nền và đồng yếu tố (cofactors), tất cả đều được đặt vừa khít vào trong một "chiếc túi" enzym phức hợp, giống như một quả bóng chày đặt vừa trong chiếc găng. Khi các bộ phận hóa học đã được đặt vào đúng vị trí trong "chiếc túi", năng lượng để điều khiển phản ứng sẽ dễ dàng đạt được và phản ứng hóa học nhanh chóng xảy ra. Mỗi một enzym sẽ lần lượt giải phóng ra sản phẩm của mình và thực hiện các bước tuần tự trong chu trình sinh học trong cơ thể người.
Trong công trình nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã chọn một cặp enzym phổ dụng, glucose-6 phosphat dehydrogenase (G6pDH) và dehydrogenase malat (MDH) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp sinh học, chúng tạo ra các axit amin, các chất béo và axit nucleic rất cần thiết cho cuộc sống. Ví dụ, các khiếm khuyết trong chu trình sinh hóa này có thể gây ra bệnh thiếu máu ở người. Theo các nhà khoa học cho biết, các enzym khử nước (dehydrogenase) đặc biệt quan trọng do chúng cung cấp hầu hết năng lượng của một tế bào. Nghiên cứu trên các loại enzym này có thể dẫn đến các ứng dụng tương lai trong sản xuất năng lượng xanh, như sản xuất các tế bào nhiên liệu sử dụng nguyên liệu sinh học.
Trong chu trình này, enzym G6DH sử dụng chất nền là đường glucoza và một đồng yếu tố mang tên NAD để khử các phân tử hidro ra khỏi đường glucoza và chuyển đến enzym MDH tiếp theo, phản ứng tiếp tục xảy ra để cuối cùng tạo ra axit malic và NADH trong quá trình, NADH là một coenzym được sử dụng như một đồng yếu tố then chốt trong quá trình tổng hợp sinh học.
Việc tái tạo lại cặp enzym này trong ống nghiệm và làm cho nó hoạt động bên ngoài tế bào là một thách thức lớn đối với công nghệ ADN nano. Để thực hiện điều đó, trước tiên các nhà nghiên cứu đã tạo ra một giàn giáo ADN trông giống như các cuộn khăn giấy cuộn lại với nhau. Thông qua một chương trình máy tính họ có thể điều chỉnh khối đơn nguyên ADN này để làm cho chính gián giáo tự láp rắp. Tiếp đến, là gắn hai enzym vào đầu cuối của các ống ADN.
Ở giữa giàn ADN, họ gắn một nhánh ADN đơn, với đồng yếu tố NAD+ được buộc vào đầu cuối giống như một quả bóng và sợi dây. Giáo sư Yan coi đó như một chiếc cần quay, có độ dài, sự linh hoạt và khéo léo đủ để đập tới và lui giữa các enzym.
Khi hệ thống được thực hiện trong ống nghiệm bằng cách làm nóng và làm mát ADN, điều này dẫn đến quá trình tự lắp ráp, với các phần enzym được bổ sung thêm vào. Các nhà nghiên cứu gia cố cấu trúc sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) công suất lớn, qua đó có thể nhìn thấy ở kích cỡ nano, tức là nhỏ hơn 1000 lần đường kính một sợi tóc người.
Giống như các kiến trúc sư, ban đầu các nhà khoa học xây dựng mô hình kích thước thật để họ có thể thử nghiệm và tiến hành đo đạc hình học và cấu trúc không gian, đưa vào mô hình một loại thuốc nhuộm huỳnh quanh gắn vào chiếc cần xoay. Nếu phản ứng xảy ra, họ có thể đo tín hiệu đỏ do thuốc nhuộm phát ra, trong trường hợp này điều đó có nghĩa là phản ứng có hoạt động.
Từ hệ thống trong ống nghiệm với một cần quay đó, các nhà nghiên cứu quyết định kiểm tra giới hạn của hệ thống bằng cách bổ sung đến 4 cần xoay. Họ nhận thấy, càng bổ sung thêm cần xoay, enzym G6pDH càng tạo ra nhiều sản phẩm, trong khi MDH đạt mức tối đa chỉ với hai cần xoay.
Công trình nghiên cứu có thể dẫn đến triển vọng tái tạo các chu trình sinh hóa bên ngoài tế bào để phát triển các ứng dụng y sinh, như các phương pháp phát hiện làm cơ sở cho chẩn đoán y học. Một mục tiêu có giá trị hơn đó là thiết kế các biện pháp xúc tác enzym được lập trình cao trên nền tảng cấu trúc ADN nano có kiểm soát trình tự chuỗi đầu vào và đầu ra. Việc đạt được mục tiêu này sẽ không chỉ cho phép các nhà nghiên cứu bắt chước các xúc tác enzym trong tự nhiên và cố gắng hiểu được các cơ chế hoạt động của chúng, mà còn giúp họ có thể tạo ra các chất xúc tác nhân tạo không tồn tại trong tự nhiên.
Đ.B.H - NASATI, theo Nanowerk. |
|
Trở lại
In
Số lần xem: 907
|
|
|
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|
