AGENTEX mở lối thử nghiệm các mã di truyền được thiết kế lại ngoài tế bào

AGENTEX, viết tắt của Automated Genetic tRNA Expansion, thay đổi thứ tự quen thuộc trong việc mở rộng mã di truyền. Thay vì phải viết lại bộ gene của một sinh vật rồi mới biết hệ thống dịch mã mới có hoạt động hay không, các nhà nghiên cứu có thể lắp ráp những hệ thống ứng viên trong ống nghiệm, dùng robot kiểm tra hàng loạt và chỉ đưa các thiết kế triển vọng sang giai đoạn thử nghiệm trong tế bào. 6

Theo các kết quả được báo cáo, những hệ thống này có thể sử dụng tới 34 loại amino acid làm vật liệu xây dựng protein, thay vì 20 loại trong mã di truyền tự nhiên. 7 Điểm đột phá không phải là tạo ra hơn 64 codon, mà là khiến nhiều codon trong số đó có thể được sử dụng theo những cách gán mới.

Giới hạn nào của mã di truyền tự nhiên đang được vượt qua?

Mã di truyền tiêu chuẩn ánh xạ 64 codon bộ ba tới 20 amino acid, cùng các tín hiệu bắt đầu và kết thúc quá trình dịch mã. Nhiều codon bị “trùng chức năng” vì cùng chỉ định một amino acid, qua đó tạo ra những vị trí có thể được phân bổ lại.

Trong tế bào sống, việc đổi ý nghĩa của một codon rất rủi ro. Codon đó có thể xuất hiện ở vô số gene thiết yếu; nếu được gán cho một amino acid mới, nó có thể khiến hàng loạt protein bị dịch sai. Vì vậy, một chiến lược tái mã hóa trong tế bào thường phải thay thế hoặc loại bỏ mọi bản sao của codon trên toàn bộ bộ gene, đồng thời ngăn bộ máy dịch mã tự nhiên cạnh tranh với hệ thống được thiết kế.

AGENTEX đưa thí nghiệm ban đầu ra khỏi tế bào. Các nhà nghiên cứu có thể cung cấp một tập hợp tùy chỉnh gồm tRNA, ribosome, enzyme và những thành phần dịch mã khác, sau đó kiểm tra xem một bản đồ codon–amino acid có tạo ra đúng protein hoặc peptide mong muốn hay không trước khi tiến hành chỉnh sửa bộ gene quy mô lớn. 615

AGENTEX thiết kế lại cách codon được đọc như thế nào?

Một codon được giải mã thông qua sự phối hợp giữa RNA thông tin, RNA vận chuyển (tRNA) và bộ máy dịch mã. AGENTEX tập trung vào việc thiết kế lại các mối quan hệ phân tử này, thay vì coi mã di truyền tự nhiên là bất biến.

Công trình được báo cáo khảo sát các ribosome, tRNA và aminoacyl-tRNA synthetase (aaRS)—những enzyme gắn amino acid vào tRNA—được thiết kế để nhận diện đúng đối tác và tách biệt với hệ thống dịch mã tiêu chuẩn. Nhóm nghiên cứu cũng phát triển các phương pháp tự động, đa kênh để sàng lọc khả năng nạp amino acid cho các thư viện tRNA tổng hợp. 6

Nhờ vậy, một số codon có thể được gán cho amino acid khác, bao gồm cả amino acid phi chuẩn, trong một phản ứng dịch mã không tế bào được dựng có chủ đích. Các hệ thống tái cấu tạo sử dụng tRNA được phiên mã in vitro trước đây đã cho thấy dịch mã vẫn có thể hoạt động với những cách sắp xếp mã di truyền mới; AGENTEX mở rộng nguyên lý đó thành một quy trình tạo mẫu tự động và đa kênh. 5

Các báo cáo được cung cấp mô tả hai mã di truyền được thiết kế lại, được đánh giá cùng mã tiêu chuẩn, với tối đa ba codon được phân bổ lại và có khả năng đưa amino acid phi chuẩn vào protein. 8 Mỗi hệ thống thay thế dựa trên một nhóm thành phần dịch mã tương thích riêng, cho phép nhiều thiết kế được so sánh trong cùng khung thí nghiệm mà không cần áp đặt một cách diễn giải mới lên bộ gene của sinh vật sống.

Cách tiếp cận này cũng hướng tới các hệ thống mã di truyền có tính độc lập, trong đó những thành phần của mã được thiết kế nhận diện đúng đối tác của mình nhưng hạn chế tương tác chéo với hệ thống tự nhiên. Theo mô tả của công trình, các thiết kế mã khác nhau có thể được thử nghiệm trong cùng môi trường phản ứng mà không làm nhiễu lẫn nhau. 6

Vì sao việc robot hóa lại quan trọng?

Một mã di truyền không chỉ là một bảng quy đổi. Để một codon được gán lại hoạt động chính xác, tRNA phải nhận diện đúng codon, aaRS phải nạp đúng amino acid vào đúng tRNA, còn ribosome phải tiếp nhận phức hợp đó với hiệu suất và độ chính xác đủ cao. Hệ thống dịch mã không tế bào cho phép các nhà nghiên cứu chủ động thêm, bỏ hoặc thay từng thành phần. 1516

AGENTEX biến khả năng kiểm soát đó thành một chu trình thiết kế – lắp ráp – kiểm tra:

1. Thiết kế bảng codon mới và các thành phần cần thiết để thực hiện nó.
2. Lắp ráp các tổ hợp tRNA, aaRS và ribosome trong phản ứng không tế bào.
3. Kiểm tra khả năng nạp amino acid, dịch mã và đưa amino acid được chọn vào protein.
4. So sánh sản lượng, độ chính xác và mức độ độc lập của nhiều hệ thống ứng viên.
5. Chọn lọc những thiết kế hứa hẹn nhất để chuyển sang các thí nghiệm sinh học khó hơn.

Lợi ích thực tế là tốc độ và quy mô. Một thiết kế thất bại có thể bị loại bỏ ngay ở cấp độ một phản ứng, thay vì trở thành một dự án xây dựng sinh vật thất bại. Thiết kế đạt kết quả tốt có thể tiếp tục được tinh chỉnh trước khi nhóm nghiên cứu phải thực hiện chỉnh sửa bộ gene, tạo dòng tế bào và xác nhận hoạt động trong sinh vật sống. 6

Điều AGENTEX chưa giải quyết được

AGENTEX chứng minh một nền tảng dịch mã in vitro; bản thân nó chưa tạo ra một sinh vật sống có khả năng duy trì, nhân lên và điều hòa một mã di truyền được viết lại sâu rộng.

Để đưa một mã mới vào tế bào, các nhà nghiên cứu vẫn phải giải quyết nhiều vấn đề khó:

• Tương thích trên toàn bộ bộ gene: Những codon được phân bổ lại có thể phải được loại bỏ hoặc thay thế trên diện rộng để protein tự nhiên không bị dịch sai.
• Kiểm soát các thành phần dịch mã: tRNA, aaRS và có thể cả ribosome được thiết kế phải hoạt động ổn định bên cạnh hoặc thay thế bộ máy tự nhiên của tế bào.
• Nguồn cung amino acid: Tế bào phải hấp thụ hoặc tự tổng hợp từng amino acid phi chuẩn, rồi đưa chúng vào đúng tuyến dịch mã.
• Nạp amino acid có chọn lọc: aaRS phải gắn đúng amino acid vào đúng tRNA và tránh các phản ứng chéo ngoài ý muốn. 5
• Hiệu suất lâu dài: Hệ thống mới phải duy trì sản lượng protein, độ chính xác, tốc độ sinh trưởng và khả năng di truyền ở mức chấp nhận được.

Một nghiên cứu tế bào động vật có vú gần đây cho thấy quy mô của thách thức này: hệ thống đó đưa được tối đa năm amino acid tổng hợp khác nhau vào cùng một protein bằng cách tái sử dụng các codon hiếm. 4 Đây là một kết quả đáng chú ý trong tế bào, nhưng khác với việc tạo ra một sinh vật tự nhân lên ổn định bằng thiết kế 34 amino acid theo kiểu AGENTEX. Tài liệu được cung cấp chưa chứng minh rằng một sinh vật như vậy đã được tạo ra.

AGENTEX có thể mở ra những gì?

Mở rộng không gian thiết kế protein

Protein tự nhiên được tạo nên từ một bộ amino acid tương đối nhỏ. Các mã di truyền linh hoạt hơn có thể giúp nhà nghiên cứu tạo ra protein và polymer peptide chứa những nhóm hóa học, mạch nhánh hoặc cấu trúc khung mà quá trình dịch mã thông thường không thể cung cấp. Báo cáo AGENTEX gắn nền tảng này với việc tổng hợp polymer peptide và tạo mẫu mã di truyền theo nhu cầu. 6

Hỗ trợ phát triển thuốc

Amino acid phi chuẩn có thể đem lại độ phản ứng, độ bền hoặc vị trí liên hợp có kiểm soát—những đặc tính hữu ích trong quá trình tìm kiếm thuốc. AGENTEX có thể giúp sàng lọc nhiều thiết kế phân tử ở giai đoạn đầu nhanh hơn.

Tuy nhiên, đây mới là lợi thế ở giai đoạn khám phá và kỹ thuật, không phải bằng chứng rằng một sản phẩm AGENTEX cụ thể đã trở thành thuốc. Mọi ứng dụng điều trị trong tương lai vẫn phải trải qua các bước đánh giá thông thường về hiệu lực, độ an toàn, khả năng phân phối và sản xuất.

Tạo vật liệu sinh học có tính lập trình

Dịch mã bằng ribosome vốn cho phép kiểm soát trình tự ở cấp độ phân tử. Khi kết hợp với một bộ vật liệu xây dựng phong phú hơn, các nhà nghiên cứu có thể khám phá những vật liệu sinh học mới về tính liên kết, xúc tác, quang học, cơ học hoặc khả năng tự lắp ráp. Các hệ thống không tế bào trước đây đã tạo ra protein hoạt động trong những cách sắp xếp mã di truyền được thiết kế lại, tạo nền tảng cho hướng nghiên cứu này. 5

Tiến tới sự cô lập di truyền

Về lâu dài, một mã di truyền đủ khác biệt có thể khiến sinh vật được thiết kế khó trao đổi thông tin di truyền có chức năng với sinh vật tự nhiên hơn, đồng thời giảm khả năng bị các ký sinh sinh học thông thường khai thác. AGENTEX chưa chứng minh được kết quả đó. Đóng góp trước mắt của nền tảng là cho phép so sánh các mã độc lập tiềm năng trước khi thực hiện nhiệm vụ khó hơn nhiều: cài đặt một mã mới vào một hệ thống sống có khả năng sinh sản.

Khác gì so với các cách tiếp cận trước đây?

Các phương pháp mở rộng mã di truyền truyền thống thường bắt đầu bằng việc gán một amino acid phi chuẩn vào codon kết thúc, hoặc giải phóng một số ít codon thông qua quá trình chỉnh sửa bộ gene rất lớn. Một nghiên cứu trước đó đã xây dựng hệ thống 68 codon có khả năng đưa bốn amino acid phi chuẩn khác nhau vào cùng một protein. Những nghiên cứu in vitro khác cũng đã tạo ra các mã bị hoán đổi hoặc rút gọn bằng tRNA được thiết kế hay phiên mã trong ống nghiệm. 35

Vì thế, đóng góp riêng của AGENTEX nằm ở quy trình không kém gì con số 34 amino acid: đây là một phương pháp tạo mẫu mã di truyền tự động, đa kênh trước khi tái mã hóa trong tế bào. Nó tạo ra một tầng sàng lọc nằm giữa bản thiết kế mã di truyền trên lý thuyết và một sinh vật sống.

Tầng sàng lọc này có thể giúp phát hiện sớm các điểm không tương thích, giảm công sức lãng phí và mở rộng số lượng kiến trúc mã mà các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra. Nhưng cần nhấn mạnh giới hạn cốt lõi: AGENTEX khiến các mã di truyền thay thế dễ được thử nghiệm hơn, chứ không làm biến mất những bài toán sinh học và kỹ thuật khi vận hành chúng bên trong tế bào.