Mục kích quá trình hình thành phân tử quyết định chức năng protein

Nhóm nghiên cứu tại Virginia Tech do hai sinh viên cao học sinh hóa chỉ đạo, đã cô lập các protein chịu trách nhiệm hình thành nhóm sắt - lưu huỳnh, đồng thời quan sát tương tác protein cần thiết trong cơ thể sống - ở một tế bào. Họ đã nắm được đường trung gian và quan sát tương tác protein giữa hai nhân tố chính hình thành nhóm sắt – lưu huỳnh.

Nhóm sắt – lưu huỳnh có ý nghĩa quyết định đến sự sống trên trái đất. Chúng cần thiết cho chức năng protein trong một số quy trình của tế bào, ví dụ như hô hấp ở người cũng như các sinh vật khác hoặc quá trình quang hợp ở thực vật. Callie Raulfs của Christiansburg cho biết: “Nhưng chúng tôi vẫn chưa hiểu làm cách nào phân tử Fe-S được tạo ra hoặc liên kết với nhau. Nó không diễn ra một cách tự nhiên. Nó phải được điều chỉnh”.

Các bệnh như rối loạn Friedrich và một số dạng thiếu máu là kết quả của việc hoạt động sai chức năng của nhóm sắt – lưu huỳnh (ISC).

Sử dụng phương pháp di truyền và sinh hóa, sinh viên bậc tiến sĩ Raulfs và Ina P. O’Carroll, tại Tirana, Albania, đã cô lập thành phần của cơ cấu ISC trong quá trình hình thành nhóm sắt – lưu huỳnh. O’Carroll cho biết: “Công việc này cung cấp hiểu biết về các bước nối tiếp trong quá trình hình thành nhóm sắt – lưu huỳnh, góp phần giải thích làm thế nào phân tử sắt và lưu huỳnh được tổng hợp phân bố trong tế bào”.

Nghiên cứu “Quá trình hình thành nhóm sắt – lưu huỳnh ở cơ thể sống” của Raulfs, O’Carroll; cộng tác viên bậc sau tiến sĩ tại Virginia Tech, Patricia C. Dos Santos từ Brazil và Mihaela-Carmen Unciuleac từ Rumani; cùng Dennis R. Dean từ Blacksburg, giáo sư sinh hóa và giám đốc trung tâm Công nghệ sinh học Fralin tại Virginia Tech, đã được công bố trên Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) ấn bản trực tuyến ngày 16-20 tháng 6, 2008.

Trên hình là cấu tạo phân tử của một nhóm 4 sắt – 4 lưu huỳnh, lưu huỳnh màu vàng còn sắt màu xanh. (Ảnh: Callie Raulfs)

Những nghiên cứu trước đó của Dean và đồng nghiệp đã chứng minh rằng protein có thể tập hợp các nhóm phân tử từ thành phần trong ống nghiệm – nghĩa là bên ngoài cơ thể sinh vật. Trong nghiên cứu về hệ thống ngưng kết nitơ 10 năm trước đây, nhóm thí nghiệm của Dean là những người đầu tiên khám phá ra protein ISC. Hiện các sinh viên của Dean, Raulfs và O’Carroll, là những người đầu tiên quan sát quá trình hình thành protein ở mô tế bào trong cơ thể sống.

O’Carroll cho biết: “Điều thú vị là chúng tôi đã tìm ra cách để quan sát protein ISC trong môi trường bẩm sinh của chúng bằng một nhóm phân tử đính kèm. Hệ thống này cũng cho phép chúng tôi nắm bắt giai đoạn khác nhau trong quá trình này”.

Các sinh viên đã cô lập 3 trung gian của protein ISC tham gia vào tổng hợp gian bào – hay quá trình hình thành nhóm phân tử.

Thay vì bội hóa protein bằng cách đặt chúng vào E. coli, nhóm nghiên cứu của Virginia Tech sử dụng Azotobacter vinelandii, một vi khuẩn ưa khí trong đất có khả năng tập trung nitơ trong không khí, để đạt điều kiện tự nhiên của protein ISC. Raulfs là người đầu tiên cô lập một protein bằng một nhóm phân tử đính kèm cung cấp bằng chứng sống về việc hai protein kết hợp để tạo thành một nhóm phân tử. Anh cho biết: “Vinelandii phát triển nhanh chóng và giữ không cho oxy xâm nhập phần bên trong tế bào, điều này rất quan trọng vì oxy có thể phá hủy nhóm Fe-S”.

O’Carroll cho biết: “Vì chúng tôi cô lập protein khỏi tế bào, chúng tôi có thể quan sát quá trình tương tác giữa các protein hình thành nhóm Fe-S. Chúng tôi đã có thể cô lập một phức hợp giữa hai nhân tố chính trong sự hình thành sắt – lưu huỳnh, lưới hình thành nhóm phân tử (IscU) và protein chuyên chở lưu huỳnh (IscS)."

O’Carroll cho biết phương pháp là thêm một axit amin histiđin vào protein ISC “từ đó chúng ta có thể rút protein khỏi tế bào”.

O’Carroll giải thích: “Vì chúng tôi đưa protein có chứa nhóm phân tử ra khỏi tế bào chứa tất cả các protein cần thiết khác ở mức độ sinh lý, chúng tôi có thể quan sát những gì đi cùng protein này. Điều lý thú trong trường hợp này đó là chúng tôi thấy một lượng lớn của một protein hình thành nhóm sắt – lưu huỳnh, IscS”.

Nghiên cứu này đánh dấu lần đầu tiên các nhà khoa học đã có thể quan sát protein ISC từ môi trường cân bằng của tế bào tự nhiên.

Tiếp theo, họ lên kế hoạch tìm cách xác định vai trò của từng gen trong bộ gen tạo ra protein ISC, nhằm mục đích tìm hiểu tác động của từng gen lên quá trình tổng hợp này. O’Carroll nhấn mạnh: “Mục tiêu của chúng tôi là xác định các sự kiện và thứ tự của quá trình hình thành ISC, từ đó chúng tôi có thể hiểu được cách tế bào tạo ra nhóm phân tử rồi đưa chúng đến protein mục tiêu”.

Các nhà nghiên cứu đang phát triển một hệ thống cho phép các nhà khoa học khác sử dụng để nghiên cứu protein.