Sử dụng RNA để khuếch đại RNA

Bằng việc ứng dụng phương pháp tiến hóa in vitro (in vitro evolution), các nhà khoa học đã tạo ra enzyme RNA có khả năng sao chép và khuếch đại RNA.

RNA tự sao chép là chìa khóa quan trọng của giả thuyết RNA là nguồn gốc sự sống (giả thuyết RNA world). Tuy nhiên việc tạo ra phân tử ribozyme có khả năng tổng hợp, sao chép, và khuếch đại các phân tử RNA có cấu trúc phức tạp là một thách thức không nhỏ. Cho đến nay, ngay cả các dạng biến đổi thành công nhất của RNA polymerase ribozyme lớp I cũng hoạt động không mấy hiệu quả cho dù khuôn RNA có trình tự ngắn, đơn giản và nhiều pyrimidines.    

Bằng phương pháp tiến hóa in vitro (in vitro evolution), gần đây các nhà khoa học tại viện nghiên cứu Scripps, La Jolla, California đã tạo ra phân tử polymerase ribozyme cải tiến có khả năng tổng hợp các RNA đa cấu trúc, đa chức năng và có thể khuếch đại được trình tự RNA ngắn. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí PNAS ngày 15/08/2016.

Giáo sư Scott Silverman thuộc trường đại học Illinois, Urbana-Champaign cho rằng nghiên cứu này đã mở rộng khả năng tiềm tàng của quá trình polyme hóa RNA theo cách chưa được thực hiện từ trước đến nay. Đây thực sự là một bước đột phá trong việc hiểu thêm về khả năng của RNA polymerase ribozyme, và nó sẽ là một bằng chứng quan trọng cho giả thuyết RNA là nguồn gốc sự sống.

Trong nghiên cứu này, hai nhà khoa học Gerald Joyce và David Horning đã tiến hành nghiên cứu các biến thể của RNA polymerase ribozyme lớp I. Họ gây đột biến ngẫu nhiên trên trình tự của nó để tạo ra 1014biến thể. Sau đó, Joyce và Horning sàng lọc các biến thể này bằng cách kiểm tra xem khả năng tổng hợp RNA aptamers hoàn chỉnh (phân tử có khả năng liên kết với dạng nhân tạo của B12 hay với GTP) của ribozyme khi có đoạn mồi ban đầu bám vào. Sau mỗi vòng, họ sàng lọc các ribozyme có khả năng tổng hợp sản phẩm có chức năng và độ dài thích hợp.  Tiếp đo, nhóm nghiên cứu tăng điều kiện sàng lọc nghiêm ngặt để chọn lọc ribozyme có thể tổng hợp RNA dài hơn với ít thời gian hơn. Đến vòng thứ 24, các biến thể còn lại đều có thể tổng hợp được trình tự RNA có chức năng và giàu purine.

Từ những biến thể này, Horming và Joyce tách lấy một biến thể ribozyme được đặt tên là 24-3, có chứa 17 đột biến. Polymerase 24-3 sử dụng cả 4 bases và hoạt động nhanh hơn so với polymerase ban đầu. Nó có khả năng sao chép các RNA đa chức năng có cấu trúc bậc 2 phức tạp như các aptamers, các ribozyme khác và RNA vận chuyển (tRNA) trong nấm men. Ngoài ra, polymerase 24-3 này có thể khuếch đại được trình tự RNA ngắn trong phản ứng PCR mà chỉ có RNA làm khuôn.

“Công việc này thật thú vị. Nó là một bước tiến lớn để hiểu rõ khả năng tự sao chép của RNA”, giáo sư Philipp Holliger phòng thí nghiệm sinh học phân tử MRC tại Cambridge, UK viết trong email gửi tới tòa soạn tạp chí The Scientist.

Theo giáo sư Donald Burke-Aguero đại học Missouri, công việc Horning và Joyce đang thực hiện là một bước tiến lớn, đưa chúng ta đến gần hơn hệ thống sao chép RNA, điều chưa từng diễn ra trước đây.

Tuy nhiên, bản thân polymerase ribozyme 24-3 không thể tự sao chép. Mặc dù tRNA nấm men có cấu trúc lớn và phức tạp hơn nhiều so với sản phẩm được tổng hợp từ polymerese ribozyme ban đầu, nhưng kích thước của ribozyme 24-3 lại lớn hơn gấp ba lần tRNA nấm men và có nhiều thành phần cấu trúc phức tạp hơn.

Joyce, Horning cùng cộng sự đang cố gắng giải quyết hạn chế này trong các thí nghiệm tiến hóa in vitro. Các nhà nghiên cứu cho rằng chọn lọc càng khắt khe sẽ thúc đẩy ribozyme tạo ra các sản phẩm có kích thước càng lớn, càng phức tạp và càng hiệu quả, nhưng chẳng ai biết sẽ phải mất bao lâu để thực hiện được điều đó.

Joyce đã đặt vấn đề trong nghiên cứu ứng dụng sinh học tiến hóa đối với ribozyme tự sao chép, “Nếu một enzyme RNA replicase có khả năng sao chép RNA và tự sao chép, tôi sẽ nói nó đang còn sống. Tất cả phụ thuộc vào tiến hóa. Bất cứ điều gì làm ta tốt hơn thì vẫn sẽ làm ta tốt hơn”.

Tài liệu tham khảo:

Abby Olena, "Using RNA to Amplify RNA", the-scientist, August 15, 2016.

Lược dịch Nguyễn Trung Đức