Phương pháp tiểu thuyết cách mạng có thể điều khiển hình dạng, sắp xếp của ADN: Nghiên cứu mới

Một tế bào người chứa khoảng 2 mét DNA, chứa thông tin di truyền quan trọng của một cá nhân. Nếu tất cả DNA chứa trong một người được giải phóng và kéo dài, nó sẽ di chuyển một khoảng cách đáng kinh ngạc – đủ để chạm tới mặt trời và quay trở lại 60 lần. Các tế bào cô đặc DNA của chúng thành các nhiễm sắc thể nhỏ gọn để quản lý một lượng lớn thông tin sinh học như vậy. “Hãy tưởng tượng DNA giống như một tờ giấy trên đó tất cả thông tin di truyền của chúng ta được viết ra.” Minke AD Nijenhuis, tác giả tương ứng cho biết. “Tờ giấy được gấp lại thành một cấu trúc rất chặt chẽ để chứa tất cả thông tin đó vào nhân của một tế bào nhỏ. Tuy nhiên, để đọc được thông tin, các phần của tờ giấy phải được mở ra rồi gấp lại. Tổ chức không gian này của mã di truyền của chúng ta là cơ chế chính của sự sống. Do đó, chúng tôi muốn tạo ra một phương pháp cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế và nghiên cứu quá trình nén của DNA sợi kép.”

DNA tự nhiên thường có sợi kép, với một sợi mã hóa gen và một sợi hoạt động như một bản sao lưu, được dệt thành một chuỗi xoắn kép. Các tương tác Watson-Crick, cho phép hai sợi nhận biết và ghép nối với nhau, giúp ổn định chuỗi xoắn kép. Tuy nhiên, có một loại tương tác DNA khác ít được biết đến hơn. Tiếp xúc này, được gọi là tương tác Hoogsteen bình thường hoặc đảo ngược, cho phép chuỗi thứ ba tham gia, dẫn đến chuỗi xoắn ba ngoạn mục. Trong một bài báo gần đây, đăng trên tạp chí Advanced Materials, các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Gothelf đã đưa ra một phương pháp chung để sắp xếp DNA sợi kép, dựa trên tương tác Hoogsteen. Nghiên cứu cho thấy rõ ràng rằng chuỗi hình thành bộ ba có khả năng uốn cong hoặc “gấp” đáng kể DNA sợi kép để tạo ra một cấu trúc nhỏ gọn. Sự xuất hiện của các cấu trúc này bao gồm từ các hình dạng hai chiều rỗng cho đến các cấu trúc 3D nhỏ gọn và mọi thứ ở giữa, bao gồm các cấu trúc giống như những bông hoa trong chậu. Gothelf và các đồng nghiệp đã đặt tên cho phương pháp của họ là triplex origami.

Với triplex origami, các nhà khoa học có thể đạt được mức độ kiểm soát nhân tạo trước đây không thể tưởng tượng được đối với hình dạng của DNA sợi kép, từ đó mở ra những con đường khám phá mới. Gần đây, người ta cho rằng sự hình thành bộ ba đóng một vai trò trong quá trình nén tự nhiên của DNA di truyền và nghiên cứu hiện tại có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình sinh học cơ bản này. Công trình này cũng chỉ ra rằng sự hình thành bộ ba qua trung gian Hoogsteen bảo vệ DNA khỏi sự phân hủy của enzyme. Do đó, khả năng thu gọn và bảo vệ DNA bằng phương pháp triplex origami có thể có ý nghĩa quan trọng đối với liệu pháp gen, trong đó các tế bào bị bệnh được sửa chữa bằng cách mã hóa chức năng mà chúng đã mất thành một đoạn DNA sợi kép có thể truyền được.

Kỳ quan sinh học về trình tự và cấu trúc DNA này cũng đã được sử dụng trong kỹ thuật chế tạo vật liệu có kích thước nano, dẫn đến các ứng dụng trong trị liệu, chẩn đoán và nhiều lĩnh vực khác. “Trong bốn thập kỷ qua, công nghệ nano DNA hầu như chỉ dựa vào các tương tác cơ bản của Watson-Crick để lắp ráp các chuỗi DNA đơn lẻ và lắp ráp chúng thành các cấu trúc nano tùy chỉnh.” Giáo sư Kurt V. Gothelf nói. “Bây giờ chúng tôi biết rằng các tương tác Hoogsteen có cùng tiềm năng tổ chức DNA sợi kép, điều này thể hiện sự mở rộng khái niệm quan trọng cho lĩnh vực này.” Gothelf và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng cách gấp giấy qua trung gian Hoogsteen tương thích với phương pháp dựa trên Watson-Crick tiên tiến nhất. Tuy nhiên, do độ cứng tương đối của DNA sợi đôi, cấu trúc origami bộ ba đòi hỏi ít nguyên liệu ban đầu hơn. Điều này cho phép các cấu trúc lớn hơn được hình thành với chi phí thấp hơn nhiều.

Phương pháp mới này có hạn chế là sự hình thành bộ ba thường đòi hỏi một đoạn dài các base purine trong DNA sợi kép và do đó các nhà nghiên cứu đã sử dụng trình tự DNA nhân tạo, thay vì DNA di truyền tự nhiên. Tuy nhiên trong thời gian tới họ sẽ cố gắng khắc phục hạn chế này.