Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Brown (Hoa Kỳ) đã phát triển thành công enzym ligase ARN cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Enzym ligase mới này bắt nguồn từ một loại vi khuẩn phát triển rất nhanh sống gần miệng phun núi lửa, có tên là KOD1Rnl, có khả năng hoạt động trong môi trường nhiệt độ rất cao trong một số thí nghiệm. Nó cũng có biểu hiện hoạt động tích cực nhất trong cấu trúc ARN nhất định, được gọi là các template, khiến nó trở nên rất có ích đối với giải trình tự và phát hiện ARN. Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí RNA Biology.

Theo Lei Zhang, sinh viên tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật y sinh tại Đại học Brown, tác giả chính của bài báo nghiên cứu, cho biết: “Enzym ligase mới này có tất cả các đặc tính cho việc thao tác ARN mà chúng tôi mong muốn. Chúng tôi nghĩ rằng nó sẽ là một công cụ hữu ích có thể bổ xung thêm vào hộp công cụ kỹ thuật sinh học”.

“Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là nhắm đến các kỹ thuật chẩn đoán y học, các liệu pháp phân tử, và đặc biệt là sự phân tách ARN”, Tripathi cho biết. “Trong nhiều nghiên cứu gần gây, chúng tôi đã thiết kế được các nền tảng và các xét nghiệm phân tử mới giúp phát hiện nhanh chóng sự lây nhiễm vi rút và biểu hiện đột biến của vi rút. Trong quá trình chúng tôi thiết kế, xây dựng các tấm kênh dẫn vi lưu và các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng tôi luôn dựa vào các loại thuốc thử có sẵn để tăng hiệu quả của các xét nghiệm này. Khi các nghiên cứu của chúng tôi trở nên phức tạp hơn, chúng tôi thấy thất vọng hơn bởi vì chúng tôi cần có các enzym đặc biệt để thực hiện nghiên cứu, chẳng hạn như enzym ligases, mà lại không có”, Tripathi cho biết.

Chỉ có một vài enzym ligase ARN có khả năng chịu được nhiệt độ cao, điều này có nghĩa là chỉ có những enzym đó mới có thể hoạt động dưới một môi trường nhiệt độ cao. Việc nghiên cứu ARN trong môi trường nhiệt độ cao hơn có thể giúp các quá trình diễn ra dễ dàng hơn. Ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cơ thể, các phân tử ARN ở trong một tình trạng hỗn độn nhưng khi được nung nóng lên, những hỗn độn này được nới lỏng và các phân tử duỗi thẳng ra.

“Khi nghiên cứu ARN, bạn thường muốn lai ghép hoặc kết hợp một acid nucleic với nó. Điều đó dễ dàng hơn nhiều khi các phân tử được sắp xếp theo một đường thẳng (tuyến tính). Khi nó ở trong một tình trạng rối rắm, nhiều vị trí để lai ghép sẽ bị chặn lại”, Tripathi nói

Vấn đề là mức nhiệt độ cần để có thể duỗi thẳng ARN thường quá cao để enzym ligase có thể làm nóng các phân tử một cách hiệu quả. Tuy nhiên, KOD1Rnl lại có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến gần 140 độ F. Do đó cho phép enzym này có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cơ thể trong phòng thí nghiệm.

Sự phụ thuộc nhiệt độ của enzym này cũng rất quan trọng. Một enzym ligase ARN phụ thuộc nhiệt độ nào đó sẽ hợp nhất hai sợi ARN chỉ khi một sợi nào đó được sắp cận kề với một sợi khác lên trên một template nào đó. Các nhà khoa học sẽ sử dụng đặc điểm này để phát hiện và sắp chuỗi ARN. Trong nghiên cứu của họ, Zhang và Tripathi đã sử dụng enzym KOD1Rnl để thắt buộc các mẫu dò đã được tạo ra để phát hiện bản sao ARN Ebola đã được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, sự phụ thuộc cũng mang lại lợi ích trong việc phát hiện các đột biến trong ARN. Điều này là nhờ vào việc tạo ra các mẫu dò ARN-các sợi ARN có chứa các đột biến liên quan. Các hạt thăm dò (probes) sẽ tìm thấy những chỗ rạn nứt hoặc các khía nhỏ tại các điểm dọc theo các sợi ở những vị trí xuất hiện đột biến. Các hạt thăm dò này sau đó được gép cặp hoặc lai ghép với một sợi ARN nhắm đích trong enzym ligase phụ thuộc nhiệt độ cư ngụ tại đó. Khi đột biến xuất hiện trong các sợi nhắm đích, hạt thăm dò ARN sẽ lai ghép chính xác, và những khía nhỏ sẽ được bít kín bởi các enzym ligase. Nếu không có biểu hiện đột biến, cấu trúc của các phân tử lai sẽ bị phá vỡ và enzym ligase sẽ không bít kín các khía rãnh này. Bằng cách quan sát, phân tích các khía rãnh nhỏ này có được enzym bít chặt hay không, các nhà khoa học có thể xác định được biểu hiện đột biến hay không đột biến.

“KOD1Rnl là một nhóm enzym lần đầu tiên được phát triển thành công trong cộng đồng y sinh. Là những kỹ sư thuộc lĩnh vưc y sinh học, giấc mơ của chúng tôi là đưa được các kết quả nghiên cứu của mình vào các thử nghiệm lâm sàng, và kết quả nghiên cứu này là một dấu mốc quan trọng để hướng chúng tôi đến mục tiêu đó”, Tripathi cho biết.

Hiện enzym mới này đã được cấp bằng sáng chế. Và nhóm nghiên cứu kỳ vọng có thể sớm đưa enzym ra thị trường.