Đột phá từ Harvard: Thiết kế protein nhân tạo với 34 loại axit amin mà không cần tế bào sống

Theo tin từ IT ngày 29 tháng 8, nhóm nghiên cứu của George Church tại Trường Y Harvard và Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng sinh học Wyss (Wyss Institute) đã phát triển một công cụ mới có tên là AGENTEX, giúp mở rộng "bảng chữ cái axit amin" có thể sử dụng trong thiết kế protein từ 20 loại tự nhiên lên 34 loại.

Công cụ này cho phép xây dựng hàng loạt các loại protein mới trong ống nghiệm mà không cần phải chỉnh sửa bộ gen của tế bào sống. Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 26 tháng 8 theo giờ địa phương.

Sách giáo khoa trung học từng đề cập rằng protein trong tự nhiên chủ yếu được cấu tạo từ 20 loại axit amin. Do sự dư thừa của các codon mã hóa axit amin (bộ ba gồm ba bazơ DNA hoặc RNA), ví dụ như UCU, UCC, UCA và UCG đều mã hóa cho serine, nên từ lâu các nhà khoa học đã hy vọng có thể tái phân bổ chức năng của một số codon.

Tuy nhiên, các phương pháp tái mã hóa bộ gen trước đây rất tốn thời gian và gây nhiễu loạn chức năng bình thường của tế bào — nhóm của Church đã mất chín năm vào năm 2013 chỉ để giải phóng một codon cho vi khuẩn E. coli, và mất thêm mười năm nữa để giải phóng codon thứ hai, giúp tế bào có thể sử dụng tối đa 22 loại axit amin. Trong khi đó, AGENTEX cho phép tùy chỉnh 34 codon cùng một lúc, giúp các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các loại protein chứa 34 loại axit amin khác nhau.

AGENTEX vượt qua các hạn chế nêu trên bằng cách tái cấu trúc quá trình tổng hợp protein bên ngoài tế bào. Nhóm nghiên cứu trước tiên sử dụng công cụ này để thiết kế và sản xuất các RNA vận chuyển (tRNA), chỉ định cho chúng các axit amin tự nhiên hoặc được thiết kế nhân tạo, sau đó sàng lọc các tRNA có hiệu suất tốt hơn, rồi thiết kế các ribosome kỹ thuật tương ứng. Bằng cách thêm các thành phần này vào dịch ly giải (lysate) — nơi không chứa tế bào hoàn chỉnh nhưng vẫn giữ được chức năng tổng hợp protein — họ có thể tổng hợp các loại protein với thành phần axit amin mới. Phương pháp này cũng có thể tích hợp với các nền tảng robot mã nguồn mở (như Opentrons) để thực hiện việc xây dựng, thử nghiệm và tiến hóa song song hàng ngàn phân tử độc đáo mà không cần tốn nhiều năm viết lại bộ gen cho mỗi loại axit amin mới như trước đây.

Phát hiện then chốt trong quá trình nghiên cứu nằm ở chỗ "tính dẻo" của vùng đầu tận cùng tRNA cao hơn so với những gì chúng ta từng biết. Mỗi đầu tận cùng của tRNA đều có trình tự CCA, và "giáo điều" sinh học trước đây cho rằng bất kỳ trình tự nào khác đều sẽ khiến tRNA không được enzyme nhận diện, không thể mang axit amin và không được ribosome cho phép đi vào. Tuy nhiên, nhờ công cụ có tên là tSCAN, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một số tRNA có trình tự đầu tận cùng phi tiêu chuẩn (như CGA) vẫn có thể mang axit amin thành công. Vì các tRNA không phải CCA sẽ không được ribosome tự nhiên chấp nhận, các nhà nghiên cứu có thể thiết kế kỹ thuật các ribosome chỉ bắt cặp với các trình tự thay thế cụ thể (như CGA), từ đó xây dựng một hệ thống mã di truyền nhân tạo độc lập với hệ thống tổng hợp protein tự nhiên.

AGENTEX cung cấp một quy trình làm việc tự động hoàn chỉnh, bao gồm các công cụ phần mềm mã nguồn mở miễn phí. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng nó để thiết kế và sản xuất các tRNA với các trình tự đầu tận cùng phi CCA khác nhau cùng 34 loại axit amin, sau đó thử nghiệm hàng loạt trong dịch ly giải. Tiếp theo, họ chọn ra các tRNA thành công nhất, thiết kế các ribosome phù hợp và sản xuất protein mới trong dịch ly giải. Nhóm nghiên cứu cũng cho biết tSCAN cung cấp một phương pháp mới để nghiên cứu các đột biến liên quan đến bệnh lý tRNA (như tiểu đường và mất thính lực).

Như đã biết, tổng hợp protein là một trong những hệ thống cơ bản nhất của mọi sự sống, với cơ chế cốt lõi hầu như không thay đổi trong hàng tỷ năm tiến hóa. AGENTEX là viết tắt của "automated genetic tRNA expansion" (mở rộng tRNA di truyền tự động). Công nghệ này trong tương lai hứa hẹn sẽ được ứng dụng vào việc nghiên cứu và phát triển các loại thuốc, vật liệu và thực phẩm mới.

IT đính kèm địa chỉ bài báo: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10949-y.