Nobek Hóa học 2018: Tìm hiệu quả từ những điều đơn giản

Sơ đồ mô tả một chu trình tiến hóa định hướng thông qua việc tạo đột biến và sàng lọc protein biểu hiện ở vi khuẩn đường ruột Escherichia coli. Chu trình được lặp đi lặp lại cho đến khi sàng lọc được protein có tính chất mong muốn. Nguồn: Wikipedia

 Đầu tiên phải nói đến ý nghĩa của quá trình tiến hóa được nhắc tới trong tên của phương pháp này. Tiến hóa là một thuật ngữ được cả thế giới biết tới qua công trình của Charles Darwin về nguồn gốc các loài.

Trong học thuyết này, Darwin nêu rõ vai trò của tự nhiên trong việc chọn lọc các cá thể sinh vật mang đặc điểm thích nghi. Những đặc điểm mang tính thích nghi này qua quá trình chọn lọc lâu dài sẽ dẫn tới sự phân biệt về hình thái cũng như khả năng giao phối giữa các cá thể và loài mới có thể hình thành khi những khác biệt này đủ lớn. Như vậy, tiến hóa là một quá trình đi theo xu hướng tích cực và làm tăng khả năng thích nghi của các sinh vật với điều kiện môi trường thay đổi. Tuy nhiên, khi nhắc tới quá trình tiến hóa trong tự nhiên, ta thường nghĩ tới những giai đoạn lịch sử kéo dài hàng trăm, hàng nghìn năm. Một quá trình dài như vậy liệu có thể được tái hiện ở phòng thí nghiệm trong thời gian ngắn được không?

Từ tiến hóa định hướng...

Người có công đầu trong nhóm các nhà khoa học nhận giải Nobel hóa học năm nay là Frances H. Arnold (giáo sư của Viện Công nghệ California - Caltech). Từ những năm 1990, bà đã khởi xướng phương pháp sử dụng tiến hóa định hướng để tạo ra các loại enzyme tái tổ hợp với chức năng tăng cường hoặc chức năng mới chưa từng xuất hiện trong tự nhiên.

Nguyên lý của phương pháp được gợi cảm hứng trực tiếp từ học thuyết tiến hóa của Darwin, nhưng thay vì để tự nhiên sàng lọc các sinh vật theo những chiều hướng ngẫu nhiên, chúng ta sàng lọc các loại protein biểu hiện trên sinh vật theo một loại áp lực có chủ đích để chọn ra những loại protein tốt nhất trong điều kiện đó. Các nhà khoa học có thể biết chính xác những đặc tính hóa học nào mà họ cần từ các enzyme và kỹ thuật tiến hóa định hướng có thể làm quá trình chọn lọc diễn ra nhanh hơn rất nhiều trong điều kiện phòng thí nghiệm. Hiểu biết của loài người hiện nay đã vượt xa thời kỳ của Darwin.

Chúng ta đã biết được cơ chế phân tử của quá trình phát sinh và di truyền những biến dị mà Darwin nhắc tới để bổ sung những thiếu sót trong học thuyết của ông. Có thể nói, phương pháp tiến hóa định hướng là sự vận dụng tuyệt vời nhất học thuyết tiến hóa để sử dụng quyền lực của tự nhiên và tạo ra những sản phẩm tốt hơn cho nhu cầu của con người.

Nhóm phản đối học thuyết tiến hóa vẫn dựa vào luận điểm cho rằng tiến hóa định hướng không củng cố được học thuyết tiến hóa của Darwin, do không dẫn tới sự hình thành loài mới mà chỉ tạo ra những đặc tính mới của một loài.

Trong thực tế, mặc dù Darwin đặt tên cho công trình của mình là “Nguồn gốc các loài bằng phương thức chọn lọc tự nhiên, hay sự bảo tồn của những giống loài ưu thế trong cuộc đấu tranh vì sự sống” (On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life), nhưng ông không gắn sự hình thành loài mới là biểu hiện duy nhất của quá trình tiến hóa. Sự hình thành loài mới là một quá trình biến đổi rất lâu dài và chỉ xảy ra khi sự tích lũy của nhiều biến đổi nhỏ dẫn tới sự cách ly về loài.

Những biến đổi nhỏ như sự hình thành những tính trạng hay đặc tính mới vẫn luôn xảy ra, thậm chí ngày nay chúng ta có thể ghi nhận được ở những nhóm sinh vật có tốc độ đột biến cao như hiện tượng kháng thuốc kháng sinh của vi khuẩn hay đột biến làm côn trùng kháng được thuốc trừ sâu DTT.

... Đến chữa bệnh tự miễn

Hai yếu tố cốt lõi của quá trình tiến hóa là sự đa dạng của quần thể sinh vật và áp lực của chọn lọc tự nhiên. Trong tự nhiên, tốc độ xảy ra những đột biến có nghĩa hay áp lực của chọn lọc tự nhiên hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên nên tốc độ của quá trình tiến hóa có thể rất chậm.

Ngược lại, trong điều kiện phòng thí nghiệm, Arnold đã chủ động tạo đột biến để tăng độ đa dạng của đối tượng cần tiến hóa (enzyme) và sử dụng áp lực chọn lọc cao theo chiều hướng mong muốn để sàng lọc những đột biến có lợi, làm quá trình tiến hóa trong ống nghiệm xảy ra rất nhanh, thậm chí tính bằng giờ. Nhờ đó, bà có thể thu nhận được những sản phẩm đột biến có đặc tính mong muốn trong thời gian rất ngắn.

Một trong những nghiên cứu nổi tiếng nhất của Arnold là tạo ra enzyme subtilisin E có hoạt tính ngay trong môi trường dung môi hữu cơ DMF, vốn không phải môi trường tự nhiên của enzyme này. Sử dụng bốn lần phương pháp PCR có xu hướng tạo lỗi (error-prone PCR), Arnold đã biểu hiện các phiên bản đột biến của enzyme này ở vi sinh vật và nuôi vi sinh vật chủ trên đĩa thạch có cung cấp casein và DMF.

Nếu enzyme có hoạt tính, nó sẽ phân hủy casein ở môi trường xung quanh vi khuẩn để tạo ra một vòng trống trên đĩa thạch (halo). Bằng cách chọn các dòng vi khuẩn tạo vòng trống lớn nhất, phân lập DNA và tiếp tục gây đột biến nhiều lần, cuối cùng Arnold đã tạo ra một loại subtilisin E có hoạt tính cao gấp 256 lần enzyme tự nhiên. Sau khi tối ưu phương pháp, Arnold đã dùng tiến hóa định hướng để cải thiện chức năng của nhiều loại enzyme khác và thậm chí làm cho enzyme có đặc tính chưa từng có trong tự nhiên.

Một đối tượng nghiên cứu mà bà rất tâm đắc là cytochrome P450 mà sau khi thực hiện tiến hóa định hướng, nó có thể thực hiện phản ứng tổng hợp cyclopropane hay phản ứng truyền carbene và nitrene, vốn là những chức năng không tồn tại ở P450 tự nhiên.

Ngoài ra, Arnold còn ứng dụng tiến hóa định hướng để tạo ra các enzyme chuyển hóa đường thành isobutanol để dùng làm nhiên liệu thay thế xăng và cả ethanol vốn rất phổ biến trên thị trường nhiên liệu.

Với cách tiếp cận có phần khác với Arnold, vào năm 1985 George P. Smith (giáo sư ĐH Missouri) khởi đầu cho phương pháp biểu hiện protein trên bề mặt thực khuẩn thể (phage display). Phương pháp này sử dụng cơ chế biểu hiện protein ngay trên bề mặt của thực khuẩn thể - những loại virút có vật chủ là vi khuẩn - để xác định các loại protein có tương tác với protein được biểu hiện.

Sau đó, Gregory P. Winter (giáo sư ĐH Cambridge) đã sử dụng phương pháp của Smith để “tiến hóa” các kháng thể có thể trung hòa độc tính và chống lại các bệnh tự miễn (autoimmune) khi sử dụng cho người. Winter đã tạo ra các thư viện bao gồm hàng tỉ biến thể của kháng thể và biểu hiện chúng trên bề mặt thực khuẩn thể để xác định biến thể nào có khả năng tìm ra những protein có hại.

Kết quả của nó là sự ra đời của adalimumab (tên thương mại Humira) do Công ty Cambridge Antibody Technology của Winter làm ra. Đó cũng là kháng thể “nhân hóa” đầu tiên trên thế giới (kháng thể nhân hóa là kháng thể có nguồn gốc không phải từ người nhưng được cải biến để giống với các kháng thể tự nhiên được tìm thấy ở người). Adalimumab đang được sử dụng để điều trị thấp khớp - một bệnh tự miễn rất phổ biến. 

Các nhà khoa học khác cũng sử dụng phương pháp này để tạo ra các loại kháng thể mới sử dụng trong điều trị bệnh than, làm chậm bệnh tự miễn Lupus ban đỏ và một loại kháng thể đang phát triển thậm chí còn có tiềm năng chữa bệnh Alzheimer.

và, nguồn cảm ứng cho nghiên cứu

Trong khi một trào lưu khoa học nổi lên ở đầu thập niên 1990 cho rằng các nhà nghiên cứu hoàn toàn có thể thiết kế chính xác các protein, enzyme có đặc tính như mong muốn từ những kiến thức đã biết thì thành công của Arnold, Smith và Winter lại có câu trả lời ngược lại: tri thức con người vẫn chưa vượt lên được sức mạnh của tạo hóa.

Thay vì thiết kế protein theo cách mà chúng ta nghĩ sẽ đem lại hiệu quả cao nhất, ta có thể tạo ra rất nhiều biến thể của loại protein đó và để quá trình sàng lọc tự nhiên làm nốt công việc còn lại là tìm ra biến thể tốt nhất.

Bản thân Arnold cũng gặp không ít chỉ trích khi bà khởi xướng phương pháp tiến hóa định hướng này, với những luận điểm cho rằng chỉ đơn giản tạo đột biến ngẫu nhiên và sàng lọc thì không phải là làm khoa học.

Nhưng chính bà cũng chứng minh rằng phương pháp tiến hóa định hướng không hoàn toàn là ngẫu nhiên, nó chỉ đạt hiệu quả cao nhất khi các nhà khoa học sử dụng kết quả phân tích cấu trúc - chức năng của protein để thu hẹp khu vực đột biến như tập trung quanh các trung tâm phản ứng hay domain bám cơ chất của enzyme.

Các nhà khoa học hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp thiết kế có chủ đích (rational design) trong việc thiết kế protein hay enzyme, nhưng mặc dù không được xếp vào nhóm những phương pháp khoa học mang tính công nghệ cao, tiến hóa định hướng đã chứng minh hiệu quả tuyệt vời của nó trong việc mang lại những sản phẩm tốt phục vụ con người. ■