Sử dụng Titan Dioxit trong kỹ thuật tách nhỏ protein

Các nhà hóa học từ Viện Tiêu Chuẩn Và Công Nghệ Quốc Gia NIST và trường đại học bang Arizona đã đưa ra được một kỹ thuật đơn giản “tao nhã” có khả năng tách protein thành những miếng nhỏ tiện lợi để phân tích. Phương pháp chuẩn bị mẫu nguyên bản này sử dụng ánh sáng cực tím và titan dioxit và có thể rất lý tưởng cho các thiết bị “phòng thí nghiệm trên một vi mạch” (lab-on-a-chip) vi lỏng mới, các thiết bị được thiết kế để phân tích nhanh chóng một lượng nhỏ các mẫu sinh học.

Hầu hết các protein là những phân tử rất lớn và phức tạp được tạo thành từ hàng trăm hoặc hàng ngàn các amino axit, nên chúng thường phải được cắt ra thành những mẫu nhỏ hơn sao cho dễ sử dụng để phân tích. Ngày nay, điều này chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng các enzyme đặc biệt, được gọi là “protease” có chức năng phục vụ cho các chuỗi protein ở những nơi “nổi tiếng”.

Minh họa cho việc tách protein gần bề mặt titan dioxit: khi được chiếu sáng bằng tia cực tím, các gốc hydroxyl được hình thành trong nước gần bề mặt chất bán dẫn này và cắt protein tại những nơi có amino acid proline. (Ảnh: NIST)

Chẳng hạn như protease tripxin cắt protein tại những nơi có amino axit lysine và arginine. Việc phân tích các mảnh còn lại có thể xác định protein gốc. Nhưng enzyme nổi tiếng là “cầu kỳ”, đòi hỏi phải có sự kiểm soát khá chặt chẻ của nhiệt độ và tính axit, và quá trình cắt enzyme có thể tốn nhiều thời gian, từ vài giờ cho đến vài ngày.

Để có được một phương pháp khác “một cách toàn diện”, nhóm NIST đã chuyển sang một vật liệu bán dẫn là titan dioxit. Titan dioxit có hoạt tính quang xúc tác – khi tiếp xúc với ánh sáng cực tím thì bề mặt của nó bị oxi hóa cao, chuyển các phân tử nước bên cạnh thành các gốc hydroxyl, các gốc hóa học có thời gian tồn tại ngắn và hoạt tính cao. Trong các thí nghiệm của viện NIST, lớp phủ ngoài bằng titan dioxit được ứng dụng vào nhiều loại thiết bị vi phân tích điển hình, bao gồm các rãnh vi lỏng và hạt silica trong lò phản ứng vi dòng (microflow reactor). Bằng cách chiếu một tia UV mạnh lên vùng này, với sự có mặt của dung dịch protein, sẽ tạo ra một “vùng chia tách” nhỏ của các gốc hydroxyl, các gốc này nhanh chóng cắt những protein gần đó tại những nơi có amino acid proline.

Theo các nhà khoa học, mặc dù công việc phát triển vẫn còn được thực hiện, nhưng kỹ thuật xúc tác quang hóa của viện NIST đã đem lại một số thuận lợi cho việc tách enzyme của protein theo cách truyền thống. Kỹ thuật này đặc biệt không nhạy cảm với nhiệt độ hoặc tính axit và không cần thêm bất kỳ thuốc thử nào ngoài oxy hòa tan trong dung dịch.

Kỹ thuật này có chuẩn bị đơn giản, dễ tích hợp thành nhiều loại dụng cụ và thiết bị, và titan dioxit, một chất vô cơ, về cơ bản sẽ tồn tại mãi mãi trong các điều kiện khác nhau – trong khi enzyme phải được xử lý một cách cẩn thận và được lưu trữ trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ. Amono axit mong muốn, proline, thì khá thưa thớt trong hầu hết các protein, nhưng nó lại được tìm thấy tại những nơi then chốt, như là những chỗ ngoặt đột ngột trong phân tử, và điều này sẽ hỗ trợ cho công việc phân tích. Ngoài ra, kỹ thuật này còn được thực hiện rất nhanh chóng – trong thí nghiệm với protein angiotensin I, nhóm nghiên cứu đã có được các mẫu chia tách có thể dò ra chỉ trong vòng có 10 giây.

Thanh Vân