Nền tảng cấu trúc trong khả năng bật tắt ánh sáng của protein huỳnh quang

Các nhà khoa học trường đại học Oregon đã xác định được đặc điểm phân tử làm cho protein huỳnh quang xanh lục có khả năng phát sáng và bằng cách thêm vào một đơn nguyên tử oxy một cách khéo léo, họ có thể giữ cho ánh sáng đó ở trạng thái tắt trong 65 tiếng đồng hồ.

Ông S. James Remington, giáo sư vật lý và thành viên của Viện Sinh Học Phân Tử của Trường Đại Học Oregon cho biết, phát hiện này có thể ứng dụng cho đa số các protein huỳnh quang có khả năng bật tắt ánh sáng (photoswitchable)

“Mô hình mới này đưa ra những dự đoán cụ thể và có thể cải thiện chất lượng của protein thành một dấu hiệu bật tắt ánh sáng,” ông Remington nói. “Nó cho chúng ta một bức tranh đầu tiên về cách mà những phân tử có thể được bật tắt như thế nào. Điều này cho phép chúng ta tạo ra biến thể mới nhằm làm cho những protein này trở nên hữu ích hơn.”

Trải qua hơn một thập kỷ, protein huỳnh quang – protein mà lần đầu tiên được tách ra trong con sứa và từ đó được phát hiện với nhiều màu sắc từ các sinh vật tảo sống trên đá ngầm hình thành từ san hô – đã cách mạng hóa ngành sinh học phân tử, cho phép các nhà khoa học sử dụng chúng làm dấu hiệu nhận biết các biểu hiện gen, định vị phân tử và quan sát sự hoạt động trong tế bào.

Mô hình sự sắp giống cột cấu trúc bật và tắt của một protein huỳnh quang có khả năng bật tắt ánh sáng. (Ảnh: S. James Remington)

Khám phá gần đây về những protein huỳnh quang có khả năng bật tắt ánh sáng – công việc có thể được thực hiện bằng kỹ thuật laser – đã có sự phát triển đáng kể trong việc nghiên cứu tế bào.

“Protein huỳnh quang có khả năng bật tắt ánh sáng có các ứng dụng cực kỳ tốt cho các protein thụ động,” Ông Remington nói. “Bạn có thể nhận biết tất cả phân tử nếu sử dụng kỹ thuật laser dưới kính hiển vi, bạn chỉ có thể kích hoạt được một nhóm nhỏ của chúng mà thôi. Điều đó cho phép bạn theo dõi các chuyển động của các tập hợp con của phân tử. Chúng tôi mong muốn hiểu được quá trình này để có thể thường xuyên bật tắt chúng hoặc thay đổi khoảng thời gian giữa hai trạng thái bật và tắt".

Tuy nhiên, ông cho biết: Cơ chế của sự bật tắt ánh sáng vẫn còn chưa được nhận ra, và trong nhiều trường hợp, protein chuyển sang trạng thái cố định của chúng một cách ngẫu nhiên và tự động.

Bằng cách vận dụng sự kết hợp giữa kỹ thuật đột biến gen và quá trình tiến hóa có định hướng (directed evolution), thực tập sinh tiến sĩ trường đại học Oregon, ông J. Nathan Henderson, đã xác định được cấu trúc tinh thể có độ phân giải cao của cả hai trạng thái bật và tắt của một protein huỳnh quang được tách ra từ hải quỳ.

Trong trạng thái ổn định hoặc phát huỳnh quang của phân tử, hai chuỗi bên của nguyên tử sắp giống cột theo kiểu đồng diện, trên một mặt phẳng và thứ tự nhau. Khi được tác động bằng ánh sáng laser sáng chói, các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng, protein nhanh chóng tối đi khi các vòng quay khoảng 180 độ và đảo hướng khoảng 45 độ, và tiến đến đứng yên theo sự sắp giống cột không đồng diện và không ổn định. Hai cấu trúc này cho các nhà khoa học một cơ hội để quan sát những thay đổi trong sự tương tác giữa các nhóm lân cận nhau.

Ông Remington cho biết: Ở trạng thái tối, phân tử hấp thu ánh sáng cực tím và không phát ra ánh sáng. Tuy nhiên, khi nhóm mang màu (một nhóm các nguyên tử và electron hình thành nên một bộ phận của phân tử) hấp thu ánh sáng cực tím thì nó sẽ thỉnh thoảng ion hóa và trở nên tích điện âm. Điều này làm cho các vòng đảo hướng ngược trở lại ở dạng huỳnh quang.

Ông cho biết thêm: Kiểm soát được sự phát ra ánh sáng sẽ cho phép thực hiện các nghiên cứu chính xác hơn trong tế bào.

Trước đó, ông Nathan Henderson nghiên cứu các cấu trúc, ông chú ý thấy rằng, ở trạng thái tối, có một sự tương tác không thuận lợi, nơi mà các nguyên tử carbon và oxy nằm gần kề nhau. “Ông Nathan quan sát và tự hỏi rằng điều gì sẽ xảy ra nếu nguyên tử oxy được thêm vào ở một nơi chính xác.” Bằng cách dựa trên cấu trúc này, ông Henderson đã tạo sự đột biến đơn lẻ có khả năng kéo dài thời gian bật từ 5 phút cho đến 65 tiếng đồng hồ.

Cuối cùng, ông kết luận: Khả năng có thể kiểm soát trạng thái bật tắt, bên cạnh việc hỗ trợ các nghiên cứu cực nhỏ và việc nhận biết phân tử, còn có thể đem lại những cải tiến trong lĩnh vực về bộ nhớ quang học, ví dụ như sự lưu trữ thông tin đơn phân tử.

Thanh Vân