Chế tạo những vật liệu protein thông minh

Một công trình nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học Canada lần đầu tiên đã tạo ra phương pháp chế tạo được những protein đàn hồi nhân tạo thay đổi được trạng thái, mô phỏng và kết hợp cả hai hành vi khác nhau này vào một protein. Dưới tác dụng của một phân tử điều chỉnh, những protein đó thể hiện một trong hai hành vi cơ học khác biệt - lò xo hoặc hấp thụ shock - rất giống với hai hành vi trái ngược nhau ở những protein đàn hồi có trong tự nhiên.

TS. Hongbin Li cho biết họ đã phát hiện ra rằng có thể điều chỉnh sự ổn định cơ học của một protein nhỏ, có tên là GB1 bằng liên kết của một mẩu kháng thể, điều này mở ra cơ hội sử dụng các kỹ thuật chế tạo protein để biến GB1 thành ra một protein thay đổi trạng thái, thể hiện hai hành vi khác nhau để ứng phó với kích thích của môi trường.

Protein đàn hồi là những cấu phần có cấu trúc và chức năng quan trọng của tế bào sống. Chúng có công dụng như những lò xo phân tử ở trong mô để tạo lập những liên kết đàn hồi và đem lại cho nó độ bền cơ học, độ đàn hồi và độ co giãn. Chúng không chỉ đóng vai trò quan trọng trong những chức năng sinh học ở những quá trình sinh học khác nhau, mà còn có tầm quan trọng trong việc tạo ra những phần tử lắp ráp để tiến hành chế tạo theo phương pháp từ dưới lên cho những vật liệu thông minh và những cơ cấu cơ học ở cấp nano. Công trình này là một bước để tiến tới việc chế tạo từ dưới lên những vật liệu cơ học thông minh. Việc điều chỉnh các tính chất cơ học của protein theo kiểu thuận nghịch đang là một thách thức đặt ra cho các nhà khoa học.

Trước đây, nhóm của Li đã trình diễn trường hợp các mối tương tác protein - protein có thể được dùng để điều chỉnh độ ổn định cơ học của protein. Sử dụng kính hiển vi sinh học nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã cho thấy liên kết của các mẫu kháng thể IgC với GB1 có thể làm tăng rất nhiều độ ổn định cơ học của GB1. Sự điều chỉnh độ ổn định cơ học của GB1 bởi các mẫu kháng thể IgC không thông qua sự cải biến trực tiếp của các mối tương tác ở trong khu vực có vai trò then chốt về mặt cơ học của GB1, mà được thực hiện thông qua sự liên kết dài hạn giữa điểm liên kết của IgC với khu vực đó của GB1. Mặc dù những mẫu hFC và Fab của IgC liên kết vào những khu vực khác nhau của GB1, nhưng liên kết của chúng với GB1 làm tăng độ ổn định cơ học của GB1 lên rất nhiều.

Một điều chưa biết là, liệu những tính chất này có thể được điều chỉnh một cách độc lập hay không ở trong cùng một protein. Công trình mới đã cho thấy rằng, việc tái tạo các khu vực của protein chịu trách nhiệm về ổn định cơ học đã ít ảnh hưởng đến mối tương tác của nó với protein khác. Bởi vậy, những protein tạo thành có thể biểu hiện những tính chất cơ học song hành dưới sự điều chỉnh của các mối tương tác protein - protein. Trong công trình nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật đột biến gen để tạo ra một protein đột biến (GV54P), trong đó địa điểm hoạt tính về cơ học bị phá vỡ, nhưng vẫn duy trì ái lực liên kết với hFC. Kết quả, GV54P đã thể hiện hai đặc tính cơ học khác biệt, tùy thuộc vào sự có mặt của hFC. Khi không có hFC, GV54P tuân thủ về cơ học và có chức năng như những phân tử lò xo, tuy nhiên, khi gắn với hFC, độ bền cơ học của nó tăng lên rất nhiều.

Mặc dù công trình nghiên cứu này mang tính cơ bản, nhưng khái niệm mà nó minh họa có thể giúp tạo ra những vật liệu thông minh dùng cho cơ học nano và y sinh học (có thể tạo ra các hydrogel thông minh từ những protein đàn hồi như vậy để có thể thay đổi các tính chất cơ học và lý học phụ thuộc vào sự linh hoạt của các phân tử điều chỉnh).