Các cấu trúc bị quên lãng trong tế bào trở lại trong cuộc chiến chống virus

Nghiên cứu mới của Đại học Arizona đã tiết lộ cấu trúc và chức năng của một trong những chiến lược mới nhất của vi khuẩn trong cuộc chiến chống lại virus: một nhóm các enzyme được tổ chức chặt chẽ, cung cấp khả năng phản ứng miễn dịch nhanh chóng trong việc phá vỡ DNA có hại của virus xâm nhập.

Một bức ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử hiển thị các cấu trúc sợi SgrAI/DNA. Nguồn: Nancy Horton

“Đây là một phần của cuộc chiến lâu đời nhất từ trước đến nay”, bà Nancy Horton, phó giáo sư sinh học phân tử và tế bào, người phụ trách phòng thí nghiệm thực hiện nghiên cứu được công bố vào tháng trước trên tạp chí Structure. “Cuộc chiến này diễn ra ở khắp mọi nơi — từ các đại dương đến đất liền rồi đến trong ruột của chính chúng ta.”

Enzyme là các protein trong tế bào sống, xúc tác các phản ứng hóa học. Một số enzyme có thể mang nhiều hình dạng, mỗi hình dạng có một chức năng khác nhau và có thể đảo chiều qua lại giữa hình dạng đó. Trong trường hợp này, một loại enzyme cụ thể là SgrAI có hình dạng có thể dần dần cắt DNA xâm nhập. Tuy nhiên, khi nhiều enzyme như vậy liên kết và quấn quanh chiều dài DNA, chúng tạo ra một sợi có thể tăng khả năng phân cắt DNA lên gấp 200 lần.

“Enzyme SgrAI chứa hai nguyên tử kim loại và chúng phải đặt những nguyên tử này ngay bên cạnh nơi DNA sẽ bị phân cắt”, Horton cho biết. “Cấu trúc enzyme ở dạng phi sợi đặt một trong hai nguyên tử kim loại ở sai vị trí. Trong cấu trúc dạng sợi, chúng ta thấy được sự thay đổi hình dạng enzyme để đặt nguyên tử đó vào đúng vị trí”.

Khả năng phản ứng miễn dịch tức thời vô cùng quan trọng, vì những loại virus tấn công vi khuẩn, còn được gọi là thể thực khuẩn, gắn bên ngoài tế bào vi khuẩn trước khi xâm nhập vào tế bào cùng vật liệu di truyền của chúng. Một khi đã vào bên trong tế bào, thể thực khuẩn chiếm quyền điều khiển cơ chế nhân đôi của vi khuẩn để tổng hợp, tạo ra các bản sao của chính chúng. Cuối cùng, các virus vừa được tạo ra từ những tế bào bị chiếm quyền điều khiển đã bùng phát, lây nhiễm sang các vi khuẩn khác.

“Đây là nghiên cứu thực sự cơ bản,” Horton nói. “Nhưng bạn cần phải biết rõ mọi thứ hoạt động như thế nào trước khi bạn có thể tìm ra phương án khắc phục chúng. Và có rất nhiều enzyme quan trọng khác sử dụng cơ chế này. Khi chúng không hoạt động, đó là những dấu hiệu của bệnh ung thư, các bệnh tự miễn dịch, bệnh tiểu đường và nhiều bệnh khác — đây là những nguyên tắc cơ bản của sinh học tế bào.”

Những phát hiện này chỉ là một phần trong nghiên cứu lớn hơn của Horton về sự tồn tại của các enzyme dạng sợi.

Phát hiện các cấu trúc dạng sợi

Các cấu trúc dạng sợi được phát hiện lần đầu tiên vào khoảng 50 năm trước, trước khi bị rơi vào quên lãng bởi chính các phương pháp nhằm tiết lộ hoạt động bên trong của tế bào.

Vào những năm 1960, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi nhằm đẩy các electron ra khỏi vật thể của chúng để hiển thị các chi tiết nhỏ hơn mà bước sóng ánh sáng có thể nhìn thấy được. Nhưng sau đó, tinh thể học tia X – kỹ thuật dẫn đến việc phát hiện ra cấu trúc của DNA – đã xuất hiện và giúp các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh có độ phân giải cao hơn. Tinh thể học tia X đã được sử dụng trong các phòng thí nghiệm trong những thập kỷ tiếp theo và các cấu trúc dạng sợi không bị phát hiện vì chúng không ở dưới dạng mà các cấu trúc tinh thể có thể phát hiện được.

Các cấu trúc dạng sợi đã bị giới khoa học lãng quên cho đến khoảng năm 2010, khi một số phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, bao gồm cả phòng thí nghiệm của Horton, bắt đầu khảo sát nghiên cứu cấu trúc tế bào một lần nữa bằng kính hiển vi điện tử tối tân hơn, với độ phân giải cao hơn.

“Khi phòng thí nghiệm của tôi lần đầu tiên công bố một bài báo về sự tồn tại của những cấu trúc dạng sợi (vào năm 2010), công bố này đã vấp phải rất nhiều tranh cãi,” Horton nói. “Trong khoảng thời gian tôi phát hiện ra nó, tôi nhận thấy một số phòng thí nghiệm khác cũng có phát hiện tương tự. Sau khi lật lại các tài liệu khoa học, tôi nhận ra rằng chúng ta đã biết về điều này từ nhiều thập kỷ trước, nhưng chúng ta đã quên nó đi. Đó là lý do tại sao tôi gọi nó là sự phục hưng — đó là một sự tái khám phá. Nhưng sau đó chúng tôi không biết tại sao và làm thế nào các sợi này hình thành. Vì vậy, công việc gần đây chúng tôi đã làm là xem xét tại sao các sợi được hình thành, chúng mang lại những lợi ích gì, và để làm gì. “

Trong tháng này, Horton đã công bố một bản tóm tắt trên tạp chí Nature, mục Reviews Molecular and Cellular Biology về những khám phá độc lập liên quan đến các cấu trúc dạng sợi. Trong bản tóm tắt này, bà xác định những khám phá này về cơ bản là giống nhau.

Hiện tại bà là người đứng đầu trong một lĩnh vực nghiên cứu mới – sự hình thành sợi ở enzyme. Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ đã tài trợ tổng cộng hơn 2,3 triệu USD để bà tiến hành nghiên cứu cấu trúc và cơ chế hình thành dạng sợi ở SgrAI và phosphofructokinase – một loại enzyme chuyển hóa của con người, còn được gọi là PFK – để tìm hiểu về lợi ích của sự hình thành cấu trúc dạng sợi nhằm điều chỉnh hoạt động của enzyme.

Anh Thư dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-hidden-cellular-emerge-viruses.html