Phát hiện mới về vai trò của những tương tác kị nước trong quá trình liên kết các sợi DNA với nhau  


Thuận Hùng

INPC – VAST

Các nhà khoa học thuộc Trường ĐH Công Nghệ Chalmers, Thụy Điển mới đây đã công bố một phát hiện mới về cách các DNA tự liên kết trong đó các tương tác kị nước (hydrophobic force) đóng vai trò quan trọng. Họ chỉ ra cách mà những thay đổi nhỏ về tính chất của nước có thể điều chỉnh quá trình liên kết của DNA một cách rất tinh vi. Khám phá này mở ra cánh cửa mới giúp hiểu rõ hơn về những nghiên cứu trong lĩnh vực y dược cũng như khoa học sự sống. Nghiên cứu được công bố trên PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Như chúng ta biết, DNA được xây dựng bởi 2 sợi có thành phần là các phân tử đường và các nhóm phosphate. Giữa hai sợi này là các bazo nito chính là những hợp chất tạo nên bộ gene của các sinh vật. Các bazo nito này được liên kết với nhau bởi các liên kết hydro (hydrogen bond).

DNA Molecule Opening up in a Hydrophobic Environment

Hình 1: Trong các quá trình phiên mã, sao chép hay sửa chữa, các phân tử DNA cần phải được mở ra. Điều này đạt được khi chúng được tiếp xúc với một môi trường kị nước được tạo nên nhờ một protein xúc tác của tế bào.

Tuy nhiên, các nhà khoa học thuộc Trường ĐH Công Nghệ Chalmers chỉ ra bí mật của cấu trúc xoắn kép DNA có thể là do những phân tử này có chứa một thành phần kị nước ở bên trong (hydrophobic interior) trong khi phía ngoài được bao bọc bởi một môi trường bao gồm hầu hết là nước. Do vậy môi trường bên ngoài là một môi trường ưa nước (hydrophilic), trong khi các bazo nito của DNA có tính kị nước. Khi các đơn vị kị nước được đặt trong một môi trường ưa nước, chúng sẽ có xu hướng tập hợp lại với nhau để giảm thiểu sự tiếp xúc với nước.

Cụ thể, họ nghiên cứu cách DNA hoạt động trong một môi trường có tính chất kị nước hơn so với thông thường, đây cũng là một cách tiếp cận hoàn toàn chưa được tiến hành trước đó. Môi trường kị nước được họ sử dụng chính là dung dịch polyethylenene glycol và trong quá trình nghiên cứu họ thay đổi môi trường từng chút một, từ ưa nước vốn có sang môi trường kị nước. Mục đích của thí nghiệm này là để xác định xem liệu có một giới hạn mà ở đó DNA mất đi cấu trúc của nó? Nói cách khác, khi nào DNA không còn liên kết với nhau nữa bởi môi trường đã không còn tính ưa nước? Cuối cùng họ quan sát được rằng khi dung dịch đạt tới một ranh giới giữa tính ưa nước và kị nước, dạng chuỗi xoắn kép đặc trưng của DNA sẽ bị tháo rời.

Đồng thời họ cũng nhận thấy rằng, trong môi trường ưa nước, khi liên kết giữa các cặp bazo nito bị mất đi (có thể do các yếu tố nội tại hoặc đơn giản là do những chuyển động ngẫu nhiên) các hốc sẽ được hình thành bên trong cấu trúc của DNA cho phép các phân tử nước len lỏi vào trong. Bởi vì DNA có xu hướng muốn giữ thành phần bên trong nó được khô nên nó sẽ co cụm lại, trong khi đó các cặp bazo nito tiến lại với nhau để đẩy nước ra khỏi các hốc. Tuy nhiên, khi môi trường là kị nước, các phân tử nước bị thiếu do vậy các hốc sẽ vẫn tiếp tục tồn tại.

Liên kết hydro vốn được cho là có vai trò then chốt trong việc giữ các xoắn kép DNA với nhau đặc biệt còn có vai trò phân loại và ghép cặp các cặp bazo nito giúp liên kết các DNA với nhau theo đúng trình tự. Phát hiện mới của nhóm nghiên cứu sẽ có vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ mối quan hệ giữa DNA với môi trường xung quanh nó. Bobo Feng, một trong những nhà khoa học đứng sau nghiên cứu này cho biết: “Các tế bào muốn bảo vệ DNA của chúng bằng cách tránh cho DNA tiếp xúc với những môi trường kị nước bởi những môi trường này nhiều khi có chứa những phân tử có hại. Nhưng đồng thời, DNA của tế bào cũng cần phải tháo xoắn và mở ra để có thể được sử dụng trong nhiều quá trình sinh học”. “Chúng tôi tin rằng tế bào giữ DNA của nó trong môi trường nước hầu hết thời gian nhưng ngay khi một tế bào muốn làm gì đó với DNA của mình ví dụ như phiên mã, sao chép hay sửa chữa, nó sẽ cần phải để DNA tiếp xúc với một môi trường kị nước”.

Lấy ví dụ như trong quá trình sao chép, các cặp bazo nito sẽ tháo rời sau đó các enzyme sao chép cả hai sợi của chuỗi xoắn kép để tạo nên một DNA mới. Còn xét về quá trình sửa chữa những đoạn DNA hư hại, những khu vực bị hư hại sẽ được đưa vào một môi trường kị nước để sau đó được sửa chữa. Môi trường kị nước này được tạo ra bởi một protein xúc tác (catalytic protein) - là một kiểu protein có vai trò trung tâm đối với tất cả những quá trình sửa chữa của DNA, hay nói khác protein này chính là mấu chốt trong cuộc chiến chống lại nhiều loại bệnh nghiêm trọng của con người.

Việc hiểu rõ những protein đó cũng giúp tạo ra những kiến thức chuyên sâu mới về cách mà con người có thể đấu tranh chống lại các vi khuẩn kháng thuốc hoặc thậm chí là giúp chữa trị ung thư. Cụ thể, các vi khuẩn sử dụng một protein được gọi là RecA để sửa chữa DNA của chúng, vì vậy các nhà nghiên cứu tin rằng kết quả nghiên cứu của họ sẽ giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về cách thức hoạt động của quá trình sửa chữa DNA. Từ đó tạo ra những phương pháp mới nhằm ngăn chặn quá trình sửa chữa DNA của vi khuẩn và tiêu diệt chúng.

Còn với các tế bào ở người, protein Rad51 chịu trách nhiệm cho quá trình sửa chữa DNA đặc biệt là những chuỗi DNA bị đột biến mà nếu không can thiệp sẽ dẫn đến ung thư. Tiến sĩ Bobo Feng cho biết thêm: “Để hiểu được căn bệnh ung thư, chúng ta cần hiểu cách mà DNA sửa chữa. Mà muốn hiểu được điều đó trước hết chúng ta cần phải hiểu chính những DNA. Chúng tôi đã nhận thấy rằng DNA hoạt động hoàn toàn khác biệt khi ở trong một môi trường kị nước. Chính điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về DNA”.

Tài liệu tham khảo:


Bobo Feng, Robert P. Sosa, Anna K. F. Mårtensson, Kai Jiang, Alex Tong, Kevin D. Dorfman, Masayuki Takahashi, Per Lincoln, Carlos J. Bustamante, Fredrik Westerlund and Bengt Nordén. Hydrophobic catalysis and a potential biological role of DNA unstacking induced by environment effects. Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1909122116

Tags: 
Category: