Enzyme Taq không hoạt động như các nhà khoa học từng nghĩ

"Enzyme làm cho sự sống có thể bằng cách xúc tác cho các biến đổi hóa học mà nếu không sẽ mất quá nhiều thời gian cho một sinh vật", Greg Weiss, giáo sư hóa học uci và là đồng tác giả của nghiên cứu mới cho biết. "Một trong những biến đổi mà chúng tôi thực sự quan tâm là điều cần thiết cho tất cả sự sống trên hành tinh - đó là quá trình dna được sao chép và sửa chữa."

Phân tử mà nhóm nghiên cứu do UCI dẫn đầu nghiên cứu là một enzyme gọi là Taq, một cái tên có nguồn gốc từ vi sinh vật mà nó được phát hiện lần đầu tiên, Thermos aquaticus. Phân tử mà nhóm nghiên cứu do UCI dẫn đầu nghiên cứu là một enzyme gọi là Taq, một cái tên có nguồn gốc từ vi sinh vật mà nó được phát hiện lần đầu tiên, Thermos aquaticus. Taq sao chép DNA. Phản ứng chuỗi polymerase, kỹ thuật với hàng ngàn công dụng từ pháp y đến xét nghiệm PCR để phát hiện COVID-19, tận dụng Taq.

Nhóm nghiên cứu do UCI dẫn đầu phát hiện ra rằng Taq, vì nó giúp tạo ra các bản sao DNA mới, hoạt động hoàn toàn không giống như những gì các nhà khoa học trước đây nghĩ. Thay vì hành xử như một cỗ máy hiệu quả, được bôi trơn tốt liên tục tạo ra các bản sao DNA, enzyme, Weiss giải thích, hoạt động như một người mua sắm bừa bãi đi trên lối đi của một cửa hàng, ném mọi thứ họ nhìn thấy vào giỏ hàng.

"Thay vì lựa chọn cẩn thận từng mảnh để thêm vào chuỗi DNA, enzyme lấy hàng chục sai lệch cho mỗi mảnh được thêm thành công", Weiss nói. "Giống như một người mua sắm kiểm tra các mặt hàng ra khỏi danh sách mua sắm, enzyme kiểm tra từng bộ phận so với trình tự DNA mà nó đang cố gắng sao chép."

Người ta biết rằng Taq từ chối bất kỳ mặt hàng sai lầm nào rơi vào giỏ hàng tục ngữ của nó - rằng sự từ chối là chìa khóa, sau tất cả, để sao chép thành công một chuỗi DNA. Điều đáng ngạc nhiên trong công việc mới là taq thường xuyên từ chối các căn cứ chính xác như thế nào. "Nó tương đương với việc một người mua sắm lấy nửa tá lon cà chua giống hệt nhau, đặt chúng vào giỏ hàng và kiểm tra tất cả chúng khi chỉ cần một lon."

Thông điệp mang về nhà: Taq ít hiệu quả hơn nhiều trong việc thực hiện công việc của mình hơn nó có thể.

Phát hiện này là một bước nhảy vọt hướng tới cách mạng hóa chăm sóc y tế, Philip Collins, giáo sư tại Khoa Vật lý & Thiên văn học UCI, đồng tác giả của nghiên cứu mới giải thích. Đó là bởi vì nếu các nhà khoa học hiểu cách Taq hoạt động, thì họ có thể hiểu rõ hơn về độ chính xác của bộ gen được giải trình tự của một người thực sự.

"Mỗi người có một bộ gen hơi khác nhau", Collins nói, "với các đột biến khác nhau ở những nơi khác nhau. Một số người trong số họ chịu trách nhiệm về bệnh tật, và những người khác hoàn toàn không chịu trách nhiệm cho bất cứ điều gì. Để thực sự hiểu liệu những khác biệt này là quan trọng hay chăm sóc sức khỏe - để kê đơn thuốc đúng cách - bạn cần biết chính xác sự khác biệt.

"Các nhà khoa học không biết làm thế nào các enzyme này đạt được độ chính xác của chúng", Collins, người có phòng thí nghiệm đã tạo ra các thiết bị quy mô nano để nghiên cứu hành vi của Taq cho biết. "Làm thế nào để bạn đảm bảo với bệnh nhân rằng bạn đã giải trình tự chính xác DNA của họ khi nó khác với bộ gen người được chấp nhận? Bệnh nhân có thực sự có một đột biến hiếm gặp không, hay enzyme chỉ đơn giản là phạm sai lầm?"

"Công việc này có thể được sử dụng để phát triển các phiên bản cải tiến của Taq lãng phí ít thời gian hơn trong khi tạo ra các bản sao DNA", Weiss nói.

Tác động của công việc không chỉ dừng lại ở y học; mọi lĩnh vực khoa học dựa trên trình tự DNA chính xác đều được hưởng lợi từ sự hiểu biết tốt hơn về cách taq hoạt động. Ví dụ, khi giải thích lịch sử tiến hóa bằng cách sử dụng DNA cổ đại, các nhà khoa học dựa vào các giả định về cách DNA thay đổi theo thời gian và những giả định đó dựa trên trình tự di truyền chính xác.

"Chúng ta đã bước vào thế kỷ của dữ liệu di truyền", Collins nói. "Vào đầu thế kỷ, chúng tôi đã làm sáng tỏ bộ gen của con người lần đầu tiên, và chúng tôi bắt đầu hiểu các sinh vật, loài và lịch sử loài người với thông tin mới này từ genomics, nhưng thông tin di truyền đó chỉ hữu ích nếu nó chính xác."

Reference: Turvey Mackenzie W., Gabriel Kristin N., Lee Wonbae, et al. Single-molecule Taq DNA polymerase dynamics. Sci Adv. 8(10):eabl3522. doi: 10.1126/sciadv.abl3522.

Published: March 14, 2022