Hệ thống tiêm của vi khuẩn vận chuyển các protein vào tế bào của chuột và người

Được dẫn dắt bởi thành viên của Viện Broad Core và nhà nghiên cứu của Viện McGovern là Feng Zhang, nhóm nghiên cứu đã tận dụng cấu trúc tiêm giống như ống tiêm nhỏ do vi khuẩn tạo ra, liên kết tự nhiên với tế bào côn trùng và tiêm một lượng protein vào các tế bào này. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công cụ trí tuệ nhân tạo AlphaFold để thiết kế các cấu trúc ống tiêm này cho mục đích vận chuyển nhiều loại protein hữu ích vào trong cả tế bào người và tế bào trên cơ thể sống của chuột.

Joseph Kreitz, tác giả đứng đầu của công trình nghiên cứu đã được công bố cho biết: “Đây là một ví dụ thực sự hay về cách kỹ thuật cải biến protein có thể thay đổi hoạt động sinh học của một hệ thống tự nhiên. Tôi nghĩ rằng nó chứng minh kỹ thuật cải biến protein là một công cụ hữu ích trong kỹ thuật cải biến sinh học và trong phát triển các hệ thống trị liệu mới."

Giáo sư Zhang cho biết thêm: “Việc vận chuyển các phân tử cho trị liệu là một nút thắt cổ chai lớn đối với y học và chúng ta sẽ cần một loạt các phương án có thể lựa chọn để đưa những liệu pháp mới này vào đúng các tế bào cần trị liệu trong cơ thể. "Bằng cách học hỏi từ cách mà tự nhiên vận chuyển protein, chúng tôi có thể phát triển một nền tảng mới có thể giúp giải quyết vấn đề này."

Giáo sư Zhang làm việc trong lĩnh vực thần kinh học, đến từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) là tác giả chính của nghiên cứu này. Ông đồng thời cũng làm việc tại Viện Y học Howard Hughes. 

Ảnh minh hoạ

Tiêm thông qua co thắt

Vi khuẩn cộng sinh sử dụng các bộ máy giống như ống tiêm dài khoảng 100 nanomet để tiêm protein vào tế bào chủ nhằm giúp điều chỉnh về sinh học đối với môi trường xung quanh và tăng khả năng sống sót của chúng. Những bộ máy này, được gọi là hệ thống tiêm hợp đồng ngoại bào (eCISs), bao gồm một ống cứng bên trong vỏ bọc có thể co lại, tạo ra một mũi nhọn ở đầu ống xuyên qua màng tế bào. Điều này làm cho protein bên trong ống được chuyển vào tế bào.

Ở bên ngoài một đầu của eCIS là các sợi đuôi nhận biết các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế bào và bám vào. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng eCIS có thể nhắm mục tiêu một cách tự nhiên vào tế bào côn trùng và chuột, nhưng Kreitz nghĩ rằng có thể sửa đổi chúng để vận chuyển protein vào trong tế bào người bằng cách cải biến lại các sợi đuôi để nó có thể liên kết với các thụ thể khác nhau.

Sử dụng AlphaFold, dự đoán cấu trúc của protein từ trình tự axit amin của nó, các nhà nghiên cứu đã thiết kế lại các sợi đuôi của eCIS do vi khuẩn Photorhabdus tạo ra để nó có thể liên kết được với tế bào người. Bằng cách cải biến một phần khác của phức hợp, các nhà khoa học đã tạo khả năng cho ống tiêm có thể vận chuyển một loại protein mà họ lựa chọn chọn, trong một số trường hợp với hiệu quả cao.

Nhóm đã tạo ra các eCIS nhắm mục tiêu vào các tế bào ung thư biểu hiện thụ thể EGF và cho thấy rằng chúng đã tiêu diệt gần 100% tế bào, nhưng không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường không có thụ thể. Mặc dù hiệu quả phụ thuộc một phần vào thụ thể mà hệ thống được thiết kế để nhắm mục tiêu, Kreitz nói rằng những phát hiện này chứng minh tiềm năng của hệ thống này khi mà được cải biến một cách thích hợp.

Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng eCIS để vận chuyển protein đến não ở chuột sống - nơi nó không gây ra các phản ứng miễn dịch có thể phát hiện được, cho thấy rằng một ngày nào đó eCIS có thể được sử dụng để thực hiện các liệu pháp gen cho con người một cách an toàn.

“Đóng gói” protein

Kreitz cho biết hệ thống eCIS rất linh hoạt và nhóm đã sử dụng nó để vận chuyển nhiều loại protein khác nhau, trong đó có các loại protein để thực việc chỉnh sửa gen (có thể tạo ra các thay đổi từng nucleotid đơn trên phân từ DNA), các protein gây độc cho tế bào ung thư và Cas9, một loại enzyme cắt DNA được sử dụng trong nhiều hệ thống chỉnh sửa gen.

Kreitz cho biết trong tương lai, các nhà nghiên cứu có thể cải biến các thành phần khác của hệ thống eCIS để thay đổi các thuộc tính khác hoặc để vận chuyển các phân tử khác như DNA hoặc RNA. Ông cũng muốn hiểu rõ hơn về hoạt động và chức năng của các hệ thống này trong tự nhiên.

Kreitz nói thêm rằng: “Chúng tôi và những nhà khoa học khác đã chỉ ra rằng loại hệ thống này vô cùng đa dạng trong sinh quyển, nhưng chúng chưa được nghiên cứu nhiều. Và chúng tôi tin rằng loại hệ thống này đóng vai trò thực sự quan trọng trong sinh học và hiện vẫn chưa được khám phá một cách đầy đủ."

Nguồn bài viết: https://phys.org/news/2023-03-bacterial-proteins-mice-human-cells.html

Xử lý tin: Phương Hà