Cơ chế tổng hợp protein lần đầu tiên được quan sát trực tiếp

Nghiên cứu của nhà sinh vật học phân tử Harry Noller và các cộng sự thuộc UC Santa Cruz đã dẫn tới thành công trong việc quan sát trực tiếp cơ chế tổng hợp protein trong tế bào sống.

Những phát kiến mới của họ trên ribosome, bộ máy hình thành nên phân tử protein ở tất cả các tế bào, được đưa ra trên trang bìa tạp chí khoa học quốc tế Nature số ra ngày 03 tháng 04 năm 2008.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một dụng cụ la-de gọi là “nhíp quang học” để thăm dò từng bước của bộ máy ribosome khi nó chuyển hóa những mã gen thành phân tử protein.

Noller, Giáo sư của Sinsheimer về sinh vật học phân tử tại UCSC, đã nghiên cứu ribosome hơn 30 năm. Phát kiến gần đây nhất của ông là kết quả của sự cộng tác trong vòng sáu năm của ba nhóm nghiên cứu thuộc học viện California về sinh học định lượng (QB3). Nhóm cộng tác bao gồm Noller, nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ Laura Lancaster tại UCSC, nhà lý sinh học Carlos Bustamante thuộc phòng thí nghiệm UC Berkeley và nhà hóa học lý sinh Ignacio Tinoco, Jr.

Hình ảnh một ribosome chuyển động dọc một sợi ARN thông tin (màu vàng) được cố định bởi hai cái nhíp quang học. (Ảnh: Laura Lancaster và Courtney Hodges)

Noller cho biết: “Đây là sự cộng tác giữa những nhà nghiên cứu về nhíp quang học tại Berkeley và những nhà nghiên cứu ribosome tại UCSC. Chúng tôi cùng nhau tìm hiểu xem liệu có thể sử dụng phương pháp này để đo tác động của ribosome trong quá trình tổng hợp protein hay không”.

Để tạo ra một protein mới, những chỉ dẫn di truyền đầu tiên là sao chép từ một chuỗi ADN của một gen sang phân tử ARN thông tin. Ribosome sau đó đọc những mã gen từ ARN thông tin và chuyển hóa những đoạn mã này sang cấu trúc của một protein.

Phòng thí nghiệm của Noller đã thực hiện các thao tác kĩ thuật cho ribosome chứa phân tử ARN thông tin với hai mạch ADN gắn vào hai đầu có tác dụng như “tay cầm”. Những sợi DNA, lần lượt, được gắn vào những hạt nhỏ. Những hạt này được cố định bằng la-de từ “nhíp quang học”, la-de từ mỗi đầu tạo ra lực ngược chiều trên hệ thống chuyển hóa.

Nhờ hệ thống này, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi quá trình chuyển hóa ở từng ribosome đơn lẻ. Họ đã phát hiện ra rằng quá trình tổng hợp protein có nhịp cố định: bop, bop, bop, ngừng; bop, bop, bop, ngừng; và cứ như vậy. Ba lần “bop” tương đương với một lần ribosome đọc một bộ ba mã hóa – một chuỗi gồm ba ARN siêu phân tử thông báo tới ribosome để thêm một axit amin vào chuỗi protein.

Noller cho biết: “Ribosome di chuyển dọc đoạn mã tín hiệu theo một loạt dừng-và-tiếp tục – dừng và di chuyển. Dừng, di chuyển, dừng”.

Nhóm nghiên cứu của Noller là những người đầu tiên giải thích trọn vẹn cấu trúc của một ribosome sử dụng tinh thể học tia X. Đó là bước đầu tiên để trả lời câu hỏi lớn hơn: Ribosome hoạt động như thế nào?

“Cho đến nay, chúng ta chỉ dừng ở việc quan sát hàng nghìn tỷ ribosome, và chúng không đồng bộ -- những chi tiết không rõ ràng. Bây giờ chúng ta có thể quan sát chỉ một ribosome tại một thời điểm,” ông nói.

Noller, chỉ đạo Trung tâm sinh vật học phân tử RNA tại UCSC, thông báo rằng bước tiếp theo của dự án là phải chọn lọc phân tích. “Chúng tôi vẫn chưa hoàn toàn trực tiếp đo được tác động tạo ra bởi ribosome,” ông nói. “Bây giờ chúng tôi đã có nhíp quang học nhạy cảm hơn tại UC Berkeley. Chúng tôi cũng đã nghĩ ra một cách để giữ ribosome bằng một nhíp quang học và giữ chuỗi thông tin bằng cái còn lại. Chúng tôi có thể nhận thấy ribosome đã kéo chuỗi thông tin đó.”

Tác giả đầu tiên của bài báo trên tờ Nature là Jin-Der Wen thuộc UC Berkeley. Ngoài Noller, Lancaster, Bustamante, và Tinoco, các đồng tác giả khác bao gồm Courtney Hodges thuộc UC Berkeley; Ana-Carolina thuộc phòng thí nghiệm Xincrôtron Brazil; và Shige Yoshimura thuộc đại học Kyoto.