Các nhà khoa học tại Đại Học California, Santa Cruz đã bắt giữ ribosome, một bộ máy phân tử tham gia tổng hợp nên protein cần thiết cho mọi sự sống, trong một giai đoạn chuyển tiếp quan trọng mà từ lâu đã là một câu hỏi cho các nhà khoa học. Giờ đây, các nhà khoa học lần đầu tiên có thể hiểu được làm thế nào ribosome thực hiện các chuyển động cơ học cần thiết để dịch mã di truyền tạo thành protein mà không có một lỗi sai nào.

“Đây là điều mà toàn bộ lĩnh vực đã theo đuổi trong suốt thập kỉ trước. Chúng tôi đã bắt giữ ribosome giữa chuyển động của nó trong suốt giai đoạn chuyển dịch (translocation), đây là điều thú vị nhất, tinh tế nhất và phức tạp nhất mà ribosome thực hiện.” Harry Noller, giáo sư Sinh Học Phân Tử tại Đại Học California, Santa Cruz.

Việc hiểu được ribosome quan trọng không chỉ bởi vì vai trò chủ chốt của chúng như là nhà máy tổng hợp protein cho mọi dạng sống, mà còn bởi vì nhiều loại kháng sinh hoạt động bằng cách nhắm vào ribosome của vi khuẩn. Nghiên cứu ribosome của Noller và những người đồng nghiệp của mình dẫn tới sự phát triển của các kháng sinh mới hứa hẹn trong việc sử dụng để chống lại các vi khuẩn kháng thuốc.

Phòng thí nghiệm của Noller biết đến nhờ các nghiên cứu tiên phong nhằm làm sáng tỏ cấu trúc của ribosome, cấu trúc tạo ra bởi các chuỗi dài của RNA và các protein kết hợp với nhau thành các dạng gấp phức tạp. Nghiên cứu mới này, dẫn đầu bởi nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Jie Zhou, được công bố trên tạp chí khoa học Science ấn bản ngày 28/06/2013.

Để tạo ra protein mới, các hiệu lệnh của gene phải đầu tiên được sao mã từ chuỗi DNA sang RNA thông tin (mRNA). Ribosome sau đó sẽ “đọc” trình tự trên mRNA, ứng với mỗi codon của mã di truyền với một khối đặc biệt tạo nên protein, một trong 20 amino acid. Bằng cách này, ribosome tổng hợp nên một phân tử protein với trình tự các amino acid chính xác được quy định bởi gene. Việc gắn kết các amino acid ứng với các condon được thực hiện bởi các tRNA, mỗi tRNA vận chuyển một amino acid riêng biệt.

“Câu hỏi lớn ở đây là tại sao mRNA và tRNA được di chuyển một cách đồng thời thông qua ribosme khi mRNA được dịch mã thành protein,” Noller cho biết. “Các tRNA là các đại phân tử lớn, và ribosome có các phần chuyển động cho phép nó di chuyển tRNA nhanh chóng một cách chính xác với tỉ lệ 20 tRNA/1 giây”.

Giai đoạn chủ chốt, gọi là sự chuyển dịch (translocation), xảy ra sau khi liên kết được tạo thành để gắn kết một amino acid mới vào chuỗi protein đang được tổng hợp. tRNA sau đó sẽ tách amino acid đó ra và di chuyển đến vùng kế tiếp trên ribsome, cùng với sự di chuyển đồng thời của mRNA để mang condon tiếp theo và amino acid tương ứng đến để hình thành liên kết. Nghiên cứu mới cho thấy ribosome nằm giũa một bước quan trọng trong quá trình này.

“Điều này cung cấp cho chúng ta những cái nhìn về trạng thái trung gian trong sự chuyển dịch này.” Noller phát biểu. “Chúng ta giờ đây có thể thấy làm thế nào ribosome thực hiện điều này với một chuyển động quay tròn của tiểu phần nhỏ, và có thể thấy cái gì là “các chốt hãm” của hệ thống để ngăn chặn việc khung dịch mã bị trượt”.

Nhiều kháng sinh can thiệp vào chức năng của ribosome vi khuẩn bằng cách ngăn chặn hay làm chậm đi sự chuyển dịch này. Việc hiểu được các chi tiết về cấu trúc và động lực học của chuyển động này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các loại kháng sinh mới.

Sự chuyển dịch cần 2 bước (đã được nghiên cứu bởi phòng thí nghiệm Noller năm 1989). Bước thứ nhất là sự di chuyển của “các đầu thụ cảm” của tRNA (nơi nó mang amino acid). Điều này dẫn đến một trạng thái lai tạo, với 2 đầu của tRNA trong 2 vùng trên ribosome: “Đầu anticodon” vẫn được xếp thành hàng với codon mRNA tương ứng ở một vùng, trong khi đầu thụ cảm đã di chuyển tới vùng tiếp theo. Bước thứ hai là sự dịch chuyển của đầu anticondon của tRNA cùng với mRNA. Bước thứ 2 đòi hỏi một chất xúc tác gọi là nhân tố kéo dài G (EF-G). Nghiên cứu mới cho thấy khi ribosome nằm giữa bước thứ 2, EF-G gắn kết một nửa với nó và tRNA giữa trạng thái lai tạo và trạng thái cuối cùng.

Noller đã nghiên cứu nhiều thập kỉ để hiểu làm thế nào ribosom hoạt động. Được nhìn thấy làm thế nào nó di chuyển, là một khoảnh khắc hào hứng đối với ông.

“Đây là một trong những chuyển động cơ bản của tất cả sự sống, chúng ta giờ đây có thể hiểu nó ở cấp độ phân tử. Cơ chế này chắc hẳn đã xuất hiện khi sự sống bắt đầu.” Noller phát biểu.

Hình mô tả các phân tử tham gia vào dịch mã, các ribosome được minh họa bởi hình ảnh trong suốt đằng sau các phân tử RNA (xanh lá cây), nhân tố kéo dài EF-G (nâu), và 4 vị trí của tRNA khi nó di chuyển từ bên phải sang bên trái (xanh đậm, xanh nhạt, đỏ và xám). Các vị trí của tRNA giống như 4 khung của một bộ phim diễn ra ở cấp độ phân tử mô tả sự di chuyển của nó thông qua ribosome trong suốt quá trình tổng hợp protein.

Agrobiotech theo Sciencedaily.