Protein hình xoắn ốc và việc chuyển giao các đoạn DNA tới tế bào

Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi giáo sư Jianjun Cheng và giáo sư Fei Wang, làm việc tại Đại học Illinois, Hoa Kỳ, đã chứng minh rằng: các protein hình xoắn ốc ngắn hiệu quả trong việc cung cấp các phân đoạn DNA đến các tế bào. Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Angewandte Chemie.

"Ý tưởng chính là việc tạo ra những vật liệu mới có tiềm năng có thể được sử dụng trong liệu pháp gene lâm sàng", theo Jianjun Cheng, một giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật, hóa học và công nghệ sinh học.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hai cách thức chuyển giao gene chính: điều chỉnh vi rút và các tác nhân phi vi rút như là các loại nhựa tổng hợp hay các chất béo (lipít). Xem xét ở cả 2 vấn đề: độc tính lẫn hiệu suất thì Polypeptide, hay còn gọi là các chuỗi protein xoắn ốc ngắn, là vật liệu hấp dẫn bởi vì các tính chất: tương hợp sinh học, dễ dàng điều hướng và kích thước nhỏ.

"Dù rằng các tác nhân vitrotransfection là có sẵn, nhưng chúng tôi không thể sử dụng chúng trong cơ thể sống vì độc tính và kích thước quá lớn", Cheng nói. "Sử dụng polypeptide, chúng ta có thể kiểm soát kích cỡ xuống đến ngưỡng 200nm (nano mét), hình thành hệ thống cung cấp các đoạn DNA cho các ứng dụng trong cơ thể sống".

Polypeptide còn được gọi là poly-L-lysine (PLL) là một ứng cử viên hàng đầu trong các nghiên cứu phân phối gen. PLL tích điện dương ở chuỗi cấu trúc phân tử xuất phát từ mỗi liên kết axit amin trong chuỗi polypeptide, vì vậy PLL có thể hòa tan trong môi trường ẩm ướt của tế bào.

Tuy nhiên, PLL dần dần đã bị bỏ đi vì khả năng bị giới hạn khi đưa gene vào bên trong tế bào, (một quá trình được gọi là chuyển nạp), và bởi độc tính cao. Giáo sư Cheng mặc nhiên công nhận rằng hiệu quả thấp của PLL có thể là do chức năng của hình dạng hình cầu, làm cho chuỗi polypeptide có xu hướng tiếp nhận một cấu trúc quấn ngẫu nhiên, thay vì một chuỗi xoắn ốc có trật tự hơn.

Đầu năm 2011, nhóm nghiên cứu của giáo sư Cheng đã phát triển một phương pháp làm polypeptide xoắn ốc ngắn với chuỗi bên tích điện dương. Để kiểm tra xem một polypeptide xoắn ốc ngắn có thể là một tác nhân chuyển giao gene có hiệu quả, các nhà nghiên cứu tập hợp một loạt 31 polypeptide xoắn ổn định trên một ngưỡng pH rộng và có thể chuyển giao các đoạn DNA tới các tế bào. Hầu hết các polypeptide xoắn ốc ngắn đã hoạt động tốt hơn khi so với các PLL và một vài polypeptide xoắn ốc ngắn còn hoạt động tốt hơn (cả các tác nhân polyethyleneimine (PEI), vốn nổi tiếng với độc tính cao dù rằng các tác nhân này hoạt động rất hiệu quả). Các polypeptide xoắn ốc ngắn này cũng hoạt động tốt trên một số các tế bào như: tế bào gốc và tế bào nguyên bào sợi.

"Polypeptide mà chúng tôi thiết kế, tổng hợp và được sử dụng trong nghiên cứu này có hiệu quả rất cao và độc tính cũng được kiểm soát tốt. Với ​​một polypeptide xoắn ốc sửa đổi, chúng tôi đã chứng minh rằng một polypeptide xoắn ốc ngắn có thể hoạt động tốt hơn nhiều tác nhân thương mại khác", giáo sư Cheng nói.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Cheng có thể tạo ra loại polypeptide với nhiều kiểu dáng xoắn ốc vì các chuỗi bên dài hơn, để các điện tích dương không cản trở uốn khúc của protein. Các điện tích dương dễ dàng liên kết với DNA tích điện âm, tạo thành cụm phức hợp được tiếp thu vào khoang tế bào còn được gọi là các cơ quan nội bào, để cung cấp các phân đoạn DNA đến các tế bào.

Nhằm xác định: polypeptide hình xoắn ốc ngắn là chìa khóa của quá trình chuyển nạp, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp hai đợt polypeptide hiệu quả nhất: một đợt với polypeptide hình xoắn ốc ngắn; một đợt với polypeptide cuộn ngẫu nhiên. Kết quả thu được khẳng định: polypeptide hình xoắn ốc ngắn vượt xa polypeptide cuộn ngẫu nhiên về mặt hiệu suất lẫn mức độ ổn định.

"Điều này chứng tỏ rằng hình dạng xoắn ốc là rất quan trọng, bởi vì các loại polyme tuy có cùng thành phần hóa học, nhưng chúng sẽ có đặc tính khác nhau do có cấu trúc khác nhau", theo giáo sư Cheng, người đang phối hợp nghiên cứu với Viện Sinh học di truyền và Viện ứng dụng Khoa học và Công nghệ Beckman, Đại học Illinois, Hoa Kỳ.

Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu đã lên kế hoạch để tiếp tục khám phá các đặc tính của polypeptide xoắn ốc ngắn, đặc biệt là khả năng thâm nhập vào tế bào. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ kiểm soát trình tự và cấu trúc polypeptide xoắn ốc ngắn với độ chính xác cao trong các ứng dụng cụ thể, bao gồm: cung cấp đoạn ADN cho các tế bào, phân phối thuốc, xâm nhập màng tế bào và kháng khuẩn.