Kết hợp thiết kế điện toán với tiến hoá trong ống nghiệm để tạo ra những enzym mới

Enzym là mô hình rất giá trị để giúp hiểu được những quá trình hoạt động tinh tế của tự nhiên. Những cỗ máy phân tử này (mà thiếu chúng thì cuộc sống sẽ không tồn tại) chịu trách nhiệm mở ra những phản ứng hóa học trong cơ thể. Hàng triệu năm lựa chọn tự nhiên đã tinh chỉnh hoạt động của những enzym này, cho phép các phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn hàng triệu lần.

Để tạo ra enzym nhân tạo, cần phải hiểu biết toàn diện về cấu trúc của enzym tự nhiên, phương thức hoạt động của chúng, cũng như các kỹ thuật chế tạo protein tiên tiến. Một nhóm các nhà khoa học ở Trường Đại học Washington (Mỹ) và Viện Khoa học Weizmann ( Israel ), đã tạo ra một khâu đột phá cho nỗ lực này.

Enzym là những xúc tác sinh học, được tạo ra từ một chuỗi axit amin, gấp nếp thành những cấu trúc protein 3 chiều. Mục đích của các nhà khoa học là tạo ra enzym cho một phản ứng hóa học đặc thù, nhờ đó proton được tách ra khỏi carbon - một phản ứng có nhu cầu rất cao và là khâu quyết định tốc độ của một số quy trình mà không có một enzym nào hiện đang tồn tại giúp được, nhưng có thể hữu ích để làm tăng tốc độ phản ứng. Trong nỗ lực đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã thiết kế trái tim của cỗ máy enzym - một địa điểm hoạt hóa trong đó diễn ra các phản ứng.

Trong nỗ lực tiếp theo, họ đã thiết kế ra cột sống của enzym đó, tức là xác định chuỗi của 200 axit amin tạo nên cấu trúc của protein. Đây là một kỳ công, vì có vô số cách sắp xếp 20 loại axit amin khác nhau thành một chuỗi gồm 200 axit. Giáo sư David Baker ở Trường Đại học Washington đã sử dụng các phương pháp luận điện toán mới để quét hàng vạn những khả năng lập chuỗi, nhận dạng ra gần 60 enzym được thiết kế bằng máy điện toán có tiềm năng thực hiện hoạt động đã định. Trong số 60 chuỗi được thử nghiệm, 8 chuỗi được đưa vào vòng tiếp theo, để xem xét hoạt động sinh học và 3 chuỗi đã vượt được giai đoạn cuối cùng, chứng tỏ là có hoạt tính mạnh nhất. Các bác sĩ Orly Dym và Shira Albeck ở Khoa Sinh học cấu trúc thuộc Viện Weizmann đã giải được cấu trúc của một trong những enzym đã thử nghiệm và khẳng định rằng, những enzym được tạo ra hầu như giống với thiết kế đã dự báo.

Nhưng hiệu suất của các enzym mới thấp hơn so với những enzym được tạo ra tự nhiên, vì những enzym tự nhiên đã trải qua hàng triệu năm tiến hóa. Giáo sư Dan Tawfik và nghiên cứu sinh Olga Khersonsky ở Khoa Hóa sinh của Viện Weizmann đã phát triển được một phương pháp cho phép các enzym tổng hợp trải qua quá trình tiến hóa trong ống nghiệm, mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên. Phương pháp của họ dựa trên các vòng đột biến ngẫu nhiên lặp lại, sau đó quét các enzym đã đột biến đó để tìm ra những emzym có hiệu suất cao nhất. Tiếp đó, những enzym này lại trải qua các vòng đột biến và sàng lọc tiếp theo. Các kết quả cho thấy, chỉ cần 7 vòng tiến hóa trong ống nghiệm thì hiệu suất của các enzym đã tăng lên 200 lần so với những enzym mới được thiết kế bằng máy tính, nhờ vậy có thể tăng tốc độ phản ứng lên hàng triệu lần so với khi không có sự tham gia của enzym.

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng, các đột biến xảy ra ở khu vực xung quanh địa điểm hoạt hóa của emzym đã gây ra những thay đổi nhỏ về cấu trúc, làm cho tốc độ phản ứng hóa học tăng lên. Do đó, những đột biến đó đã khắc phục những nhược điểm trong thiết kế trên máy tính nhờ làm sáng tỏ những điều còn thiếu ở những thiết kế lúc đầu. Những đột biến khác đã làm tăng độ linh hoạt của các enzym, giúp làm tăng tốc độ giải phóng chất ra khỏi địa điểm hoạt hóa.

Theo Giáo sư Dan Tawfik: Bắt chước được hoạt động của các enzym tự nhiên là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn, nhưng kết hợp phương pháp thiết kế điện toán với tiến hóa phân tử ở trong ống nghiệm đã mở ra những chân trời mới để tạo ra những enzym tổng hợp. Nhờ công trình nghiên cứu này, chúng ta hiểu biết tốt hơn về cấu trúc của các enzym cũng như cách thức hoạt động của chúng. Nhờ vậy, ta có thể thiết kế và tạo ra những enzym mà bản thân tự nhiên đã không nghĩ tới, để sử dụng trong những quá trình khác nhau, chẳng hạn như trung hòa các độc tố, phát triển dược phẩm cũng như nhiều ứng dụng tiềm năng khác.