(khoahoc.tv) - Các nhà sinh vật học đã “thiết kế” tảo để tạo ra các loại thuốc chống ung thư phức tạp. Các nhà sinh vật học tại đại học UC San Diego đã thành công trong kỹ thuật tạo ra tảo biến đổi gene để sản xuất ra một loại thuốc phức tạp và đắt tiền được sử dụng để điều trị ung thư.
Thành tựu này được trình bày chi tiết trong một bài báo trên tạp chí The Proceedings of the National Academy of Sciences, mở ra cánh cửa để tạo ra những protein như trên và những protein “designer” khác với số lượng nhiều hơn và ngày càng rẻ hơn so với các protein được làm từ các tế bào động vật có vú.
"Vì chúng ta có thể làm cùng loại thuốc chính xác trong tảo, chúng ta có cơ hội để giảm giá thành xuống một cách đáng kể", ông Stephen Mayfield, một giáo sư sinh học tại UC San Diego và là giám đốc của Trung tâm công nghệ sinh học tảo (Algae Biotechnology hay SD-CAB) phát biểu.
Đây là một nhóm các tổ chức nghiên cứu cũng đang làm việc để phát triển nhiên liệu sinh học mới từ tảo.
Phương pháp của họ thậm chí có thể được sử dụng để tạo ra những viên thuốc được thiết kế phức tạp mà không thể được sản xuất bởi bất cứ hệ thống nào khác, những viên thuốc có thể được dùng để điều trị ung thư hoặc những bệnh tật khác của con người theo những cách mới.
"Bạn không thể tạo ra những thuốc này trong vi khuẩn vì vi khuẩn không có khả năng gấp các protein thành các hình dạng, phức tạp ba chiều", ông Mayfield cho biết. "Và bạn không thể tạo những protein này trong các tế bào động vật có vú vì độc tố có thể giết chết chúng”.
Thành công này là đỉnh cao trong 7 năm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Mayfield để chứng minh rằng tảo Chlamydomonas reinhardtii, một loại tảo màu xanh lá cây được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm sinh học như là một sinh vật mô hình di truyền có thể sản xuất một loạt các protein của con người với số lượng lớn hơn và rẻ hơn so với vi khuẩn hoặc các tế bào động vật có vú.
Mayfield và các đồng nghiệp của ông đã đạt được bước đột phá đầu tiên của họ năm năm trước khi họ đã chứng tỏ họ có thể tạo ra một protein amyloid huyết thanh động vật có vú trong tảo. Trong năm sau đó, họ đã thành công trong việc dùng tảo để sản xuất một loại protein kháng thể của con người. Trong năm 2010, họ đã chứng minh rằng các protein phức tạp hơn - loại thuốc điều trị của con người, chẳng hạn như yếu tố mạch máu tăng trưởng nội mô, hoặc VEGF, đã từng được sử dụng để điều trị các bệnh nhân bị bệnh khí thũng phổi - có thể được sản xuất trong tảo.
Sau đó, trong tháng Năm năm nay, nhóm nghiên cứu của Mayfield đã làm việc cùng một nhóm nghiên cứu khác, đứng đầu bởi Joseph Vinetz từ học Y của UC San Diego, đã thiết kế tảo để sản xuất một protein phức tạp hơn - một loại vắc-xin mới, thí nghiệm sơ bộ cho thấy, có thể bảo vệ hàng tỷ người khỏi bệnh sốt rét, một trong những bệnh phổ biến nhất trên thế giới.
"Sự phát triển của vắc-xin sốt rét cho chúng ta thấy rằng tảo có thể sản xuất protein cấu trúc thực sự phức tạp, có chứa rất nhiều các liên kết disulfide, các liên kết này sẽ gấp thành các cấu trúc ba chiều chính xác", ông Mayfield nói. "Kháng thể là các protein phức tạp đầu tiên chúng tôi thực hiện. Tuy nhiên, thuốc chủng ngừa sốt rét là phức tạp, với các liên kết disunphua khá bất thường. Vì vậy, một khi chúng tôi đã làm điều đó, chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể làm bất cứ điều gì trong tảo".
Trong phát triển mới nhất của họ, các nhà khoa học đã biến đổi gene tảo để sản xuất protein, phức tạp ba chiều với hai "domain" - một trong số đó chứa một kháng thể, có thể là nơi cư trú và tấn công tới một tế bào ung thư và một domain khác có chứa một độc tố, độc tố này giết chết các tế bào ung thư phía ngoài biên. Như vậy "protein dung hợp" hiện nay được tạo ra bởi các công ty dược phẩm trong một quá trình phức tạp gồm hai bước bằng sự phát triển domain kháng thể đầu tiên trong một tế bào chuột đồng Trung Quốc, hay CHO. Kháng thể được tinh chế, sau đó được gắn với một loại độc tố bên ngoài tế bào. Sau đó, protein cuối cùng được tái tinh khiết.
Domain cấu trúc có thể được định nghĩa là những bộ phận, những khu vực trong một phân tử protein được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh và thường là những nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp của phân tử protein trong hoạt động chức năng của nó. Trong nhiều protein domain gắn liền với chức năng kết hợp đặc hiệu và ở nhiều enzym được cấu tạo từ các domain thì trung tâm hoạt động lại được bố trí ở biên giới của hai hay nhiều domain. Sự thành thành các domain trong phân tử protein tạo ra khả năng tương tác linh hoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển tương ứng giữa những bộ phận trong quá trình thực hiện chức năng sinh học. Ở những protein nguồn gốc khác nhau, nhưng có chức năng tương tự thì các domain có cấu trúc tương đối giống nhau.
"Chúng tôi có một lợi thế gấp đôi so với quá trình đó", ông Mayfield nói. "Đầu tiên, chúng tôi thực hiện điều này như là một loại protein duy nhất với các kháng thể và các domain độc đã hợp nhất với nhau trong một gene đơn, vì vậy chúng tôi chỉ phải tinh chế nó lần thứ hai. Bởi vì chúng tôi thực hiện điều này trong tảo thay vì trong các tế bào CHO, chúng tôi có lợi thế về chi phí hơn nhiều trong việc sản xuất các protein".
Protein dung hợp mà các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã sản xuất từ tảo là giống với một trong số được phát triển bởi các công ty dược phẩm với một chi phí đề xuất nhiều hơn 100.000$ . Các nhà nghiên cứu cho biết cùng một loại protein này có thể được sản xuất trong tảo với giá thành chỉ bằng một phần nhỏ so với giá trên. Và các nhà nghiên cứu UCSD - Miller Tran, Christina Van, Dan Barrera và Jack Bui, tại trường Y của UC San Diego - xác nhận rằng hợp chất này làm việc giống như phương pháp điều trị đắt tiền hơn: nó đã cư trú trên các tế bào ung thư và ức chế sự phát triển của khối u ở những con chuột trong phòng thí nghiệm.
Mayfield cho biết một protein dung hợp như vậy có thể đã không được sản xuất trong một tế bào CHO động vật có vú, bởi vì các chất độc sẽ giết chết con vật. Nhưng vì protein được sản xuất trong lạp lục của tảo - nơi quá trình quang hợp diễn ra - do vậy các protein này đã không giết chết tảo.
”Protein được cô lập bên trong lục lạp", Mayfield nói. “Và lục lạp có protein khác so với phần còn lại của tế bào, và những protein này không bị ảnh hưởng bởi độc tố. Nếu các protein chúng tôi tạo ra đã bị thoát ra khỏi lục lạp, nó có thể đã làm chết các tế bào. Vì vậy, thật tuyệt vời để nghĩ rằng không có bất kỳ phân tử nào thoát ra khỏi các lục lạp. Có hàng ngàn bản sao của protein đó bên trong các lục lạp và chúng không hề thoát ra ngoài”.
Mayfield cho biết sản xuất protein dung hợp đặc biệt này là khá đơn giản bởi vì nó liên quan đến pha trộn hai domain - một để nhận biết và liên kết với các tế bào ung thư và một để giết chúng. Nhưng trong tương lai, ông cho rằng các phương pháp giống như phương pháp này có thể dùng để thiết kế tảo nhằm sản xuất các protein phức tạp hơn với nhiều các domain hơn.
"Liệu chúng ta có thể kết hợp bốn hoặc năm tính chất và sản xuất một loại protein thiết kế trong tảo với đa chức năng mà không tồn tại trong tự nhiên không. Tôi nghĩ rằng chúng ta có thể?" ông nói thêm. "Giả sử tôi muốn một vài protein thụ thể với một loạt các protein kích hoạt để tôi có thể kích thích sự sản xuất xương hoặc sự sản xuất các neuron thần kinh? Tại một số điểm bạn có thể bắt đầu suy nghĩ về các loại thuốc theo cùng một cách chúng ta nghĩ về việc lắp ráp một máy tính, kết hợp các mô-đun khác nhau với các mục đích cụ thể. Chúng ta có thể sản xuất một loại protein có một domain nhắm đến loại tế bào mà bạn muốn tác động đến, và một domain khác xác định cái mà bạn muốn tế bào đó sẽ thực hiện".
Dự án nghiên cứu được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia và tổ chức Skaggs Family Foundation.