Quá trình tổng hợp protein không cần tế bào đã trở nên dễ tiếp cận và được tiến hành linh hoạt hơn

Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Quá trình tổng hợp protein không cần tế bào đã trở nên dễ tiếp cận và được tiến hành linh hoạt hơn

Thứ ba - 02/04/2019 16:30

Sơ đồ minh hoạ quá trình tổng hợp protein không cần tế bào, một kỹ thuật công nghệ sinh học sử dụng mã di truyền của tế bào trong ống nghiệm. Sơ đồ thể hiện một cách tiếp cận đơn giản hơn cho phép các nhà khoa học thực hiện phản ứng bằng cách trộn mẫu DNA và hai hỗn hợp phản ứng có chứa tất cả các hoá chất cần thiết cho quá trình tổng hợp protein. [Nicole E. Gregorio / Cal Poly San Luis Obispo]

Các nhà khoa học cho biết họ đã thực hiện đơn giản hóa phương pháp tổng hợp protein không cần đến tế bào (cell-free protein synthesis - CFPS), một kỹ thuật có thể trở thành nền tảng chính cho các nghiên cứu y học. CFPS cung cấp thêm một sự lựa chọn trong việc sinh tổng hợp protein trong ống nghiệm trong vài giờ mà không cần đến tế bào sống. Nhóm nghiên cứu đến từ Cal Poly, San Luis Obispo cho biết phương pháp này cung cấp một mức độ kiểm soát mới đối với việc sản xuất protein, giúp các nhà nghiên cứu có thể theo đuổi các thử nghiệm sàng lọc hiệu năng cao, chế tạo cảm biến sinh học, kỹ thuật điều hướng trao đổi chất và nhiều những ứng dụng khác.

Tiến sĩ, giáo sư hóa sinh Javin Oza cho biết, "Phương pháp thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học này sử dụng các vật liệu di truyền trong ống nghiệm, đồng thời cho phép tiếp cận trực tiếp các hệ thống sinh học thường được “cất giữ” bên trong tế bào. Điều này giúp các nhà khoa học và kỹ sư chế tạo vắc-xin và các protein trị liệu, đồng thời thực hiện các xét nghiệm chẩn đoán theo yêu cầu tại phòng thí nghiệm hoặc ngoài thực địa. Trong giáo dục, CFPS cho phép sinh viên tìm hiểu về vật liệu di truyền dựa trên nhu cầu đào tạo."

Mặc dù sự công nhận CFPS như một công nghệ đầy hứa hẹn đã phổ biến rộng rãi trong hai thập kỷ qua, nhưng kỹ thuật này vẫn mang một số hạn chế đến từ những khó khăn và chi phí cho việc thực hiện kỹ thuật này.

Một nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Oza và cộng sự, Tiến sĩ Kinda Watts đã phát triển một phương pháp giúp CFPS trở nên dễ tiếp cận và phương pháp này được công bố trong báo cáo “Tổng hợp protein không cần tế bào trên nền tảng Escherichia Coli: Quy trình cho một công nghệ nền tảng mạnh mẽ, linh hoạt và dễ tiếp cận” (Escherichia Coli-Based Cell-Free Protein Synthesis: Protocols for a robust, flexible, and accessible platform technology) được đăng trên Tạp chí Thử nghiệm Trực quan. Oza cũng thêm vào công bố của mình một video hướng dẫn cách thực hiện quy trình mới này. Ông cũng lưu ý, những ưu điểm chính của kỹ thuật mới này là tốc độ, hiệu quả chi phí và cách thiết lập phản ứng ít phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống CFPS khác.

Các nhà nghiên cứu cho biết, “Trong hơn 50 năm qua, phương pháp CFPS nổi lên như một công nghệ mạnh khai thác khả năng phiên mã và dịch mã của tế bào trong ống nghiệm. Bằng cách làm giảm nhu cầu duy trì sự tồn tại của tế bào và loại bỏ hàng rào tế bào, CFPS đã và đang trở thành nền tảng cho các ứng dụng mới trong lĩnh vực sản xuất sinh học các protein đầy thách thức đối với phương pháp biểu hiện truyền thống, bên cạnh đó kỹ thuật này cũng hỗ trợ những ứng dụng trong công nghệ tạo mẫu nhanh cho kỹ thuật điều hướng trao đổi chất và genomics chức năng. Phương pháp sử dụng kỹ thuật CFPS dựa trên E. coli của chúng tôi cho phép người mới sử dụng tiếp cận nhiều ứng dụng.”

Các nhà nghiên cứu cũng thông tin thêm, “Trong công bố này, chúng tôi mô tả phương pháp để chuẩn bị dịch ly giải tế bào bằng cách sử dụng các môi trường giàu dinh dưỡng, bình lắc có khía và phương pháp ly giải tế bào bằng sóng siêu âm với độ tái lặp cao. Dịch ly giải này sau đó được sử dụng để biểu hiện protein với năng suất protein huỳnh quang xanh siêu gấp cuộn (super folder green fluorescent protein - sfGFP) thu được khoảng 900 µg/mL hoặc nhiều hơn chỉ trong 5 tiếng tính từ bước thiết lập thí nghiệm đến giai đoạn phân tích dữ liệu, với điều kiện các hoá chất thích hợp đã được chuẩn bị trước đó. Chi phí ban đầu ước tính cho các hoá chất cần dùng là 4.500 đô la, chi phí này được tính cho hàng ngàn phản ứng với chi phí ước tính 0,021 đô la cho mỗi một protein được sản xuất hoặc 0,009 đô la cho mỗi một phản ứng.”

“Ngoài ra, phương pháp biểu hiện protein này cho thấy sự dễ dàng của quá trình thiết lập phản ứng được tìm thấy trong các hệ thống có sẵn trên thị trường do việc tối ưu hoá các hoá chất sử dụng với chi phí thấp. Với mục đích giúp người dùng vận dụng tính linh hoạt của kỹ thuật CFPS cho các ứng dụng rộng rãi, chúng tôi thực hiện xác định những thông số có thể được điều chỉnh và tối ưu hóa trong kỹ thuật tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu có sẵn và mục tiêu biểu hiện protein mong muốn.”

Theo ông Oza, “Quy trình này giúp đơn giản hóa và làm rõ phương pháp tổng hợp protein không cần tế bào để những người dù không phải là chuyên gia cũng có thể thực hiện. Việc cải thiện tính tiếp cận của phương pháp này giúp kỹ thuật này cũng như những ứng dụng rộng rãi của nó trở nên phổ biến hơn.”

Ông tiếp tục cho biết kỹ thuật mới này chỉ yêu cầu những tập huấn kỹ năng cơ bản trong phòng thí nghiệm cho người mới sử dụng để có thể thực hiện CFPS tại phòng thí nghiệm của họ, từ việc nuôi cấy tế bào và chuẩn bị dịch ly giải đến các phản ứng tổng hợp protein trong ống nghiệm.

Theo ông Watts, giáo sư sinh hóa tại Cal Poly, “Chúng tôi đang hợp tác sử dụng phương pháp CFPS đã được đơn giản hóa để tổng hợp và chế tạo các siêu enzyme phức tạp khó có thể biểu hiện theo phương pháp truyền thống. Việc sử dụng CFPS cho phép quy trình thiết kế-chế tạo-thử nghiệm nhanh hơn nhiều trong việc chế tạo các loại enzyme siêu lớn này.”

Nguồn: https://www.genengnews.com/featured/cell-free-protein-synthesis-made-flexible-and-accessible/

Tác giả bài viết: Phạm Bùi Hoàng Anh - CNSH Y dược