Theo: The reagents behind much of molecular biology. https://www.nature.com/articles/d42473-021-00583-9
Vui lòng ghi rõ nguồn https://cnsh.vnua.edu.vn/ khi đăng lại nội dung này.
    |
 |
| Trong nghiên cứu y sinh và nghiên cứu lâm sàng, việc sửa dụng deoxyribonucleotide triphosphates (dNTPs) là rất quan trọng đối với công việc giải trình tự và một số chẩn đoán nhất định. Credit: Marina Litvinova/Shutterstock |
Từ khi một căn bệnh hô hấp không rõ nguồn gốc bắt đầu lây lan toàn cầu từ đầu năm 2020, công việc của các nhà sinh học phân tử đột nhiên được quan tâm hàng đầu. Tất cả những nỗ lực xác định mầm bệnh, phát triển các công cụ chuẩn đoán và cuối cùng là điều chế vaccine đều phụ thuộc vào các kỹ thuật chẩn đoán phân tử tập trung vào thao tác và việc khuếch đại mã di truyền.
Nhu cầu về các hoá chất cần thiết cho các kỹ thuật này tăng đột biến, đặc biệt là các dNTP, thành phần tạo nên DNA, là một trong những “building block” cơ bản nhất trong sinh học phân tử.
Quá trình khám phá
Sự sao chép và khuếch đại DNA, là nền tảng của sinh học phân tử hiện đại trong hơn 50 năm. Các kỹ thuật này đã giúp khám phá sâu hơn về các chu trình phân tử và mầm bệnh; họ thiết lập dự án Bộ gen người (Human Genome Project), và đóng vai trò quan trọng trong ứng phó với đại dịch SARS-CoV-2 toàn cầu. Lịch sử khám phá dNTP bắt đầu từ rất lâu trước đó.
Năm 1869, nhà hóa học Thụy Sĩ, Friedrich Miescher, phân lập một chất giàu phosphor từ các tế bào bạch cầu của người, đó là DNA. Năm 1919, nhà sinh hóa học người Nga Phoebus levene phán đoán chính xác rằng DNA được cấu tạo từ các chuỗi tiểu đơn vị gọi là deoxyribonucleotide, mỗi loại bao gồm 1 đường deoxyribose, 1 phosphate, và 1 trong 4 loại bazơ chứa Nitơ.
Năm 1953, James Watson và Francis Crick đã chứng minh cấu trúc DNA gồm hai chuỗi deoxyribonucleotide bổ sung với nhau, được gắn bởi các liên kết hydro giữa các cặp nucleobase. Mỗi mạch DNA là một khuôn để tạo nên mạch còn lại. Từ đó hình thành nên cơ sở cho việc DNA có thể được sao chép trong một sinh vật hoặc trong phòng thí nghiệm.
Nhu cầu về các “thám tử” dNTP
Trong đại dịch, nhu cầu tổng hợp DNA là rất cần thiết. Khi virus xuất hiện, giải trình tự bộ gen của nó là bước đầu tiên để hiểu nó là gì và làm thế nào chúng ta có thể đối phó. Kỹ thuật chủ yếu được sử dụng là PCR, sử dụng nhiệt độ cao để tách DNA sợi kép, kết hợp với enzyme, các dNTP và mồi (primers) - cũng được làm từ dNTP - để tạo ra các bản sao. Khi quá trình này diễn ra, DNA khuôn ban đầu được khuếch đại. Giải trình tự về cơ bản là một quá trình sao chép DNA tinh tế và phức tạp hơn, thường sử dụng các nucleotide gắn huỳnh quang để đọc trình tự.
Trong trường hợp SARS-CoV-2, các nhà nghiên cứu từ hàng chục phòng thí nghiệm trên khắp thế giới làm việc cả độc lập và cùng nhau trong chưa đầy 2 tháng để giải trình tự bộ gen virus. Nhu cầu về dNTP tăng đột biến ngay sau đó do nhu cầu chẩn đoán SARS-CoV-2 chính xác tăng lên. Phương pháp chẩn đoán được sử dụng là phương pháp PCR định lượng (qPCR) do nó phát hiện vùng gen cụ thể duy nhất của virus, cho độ nhạy và chính xác cao.
Khi đại dịch lan rộng, nhu cầu chẩn đoán tăng gây áp lực lớn lên nguồn cung dNTP. Chỉ riêng tại Thermo Fisher, sản lượng đã tăng lên hàng trăm lít mỗi tháng. Mỗi lần chạy qPCR chỉ cần một vài microlitre dNTP nên 100 lít có thể kiểm tra trên 100 triệu người.
Tổng hợp và sản xuất dNTP có thể được thực hiện bằng nhiều cách, từ quá trình phosphoryl hóa bằng hoá chất hoặc enzyme của deoxynucleoside hay monophosphate tương ứng đến quá trình khử ribonucleotide triphosphate bằng enzyme. Hãng Thermo Fisher Scientific sử dụng tổng hợp hóa học nhiều bước để sản xuất dNTP. Phương pháp tiếp cận bằng enzyme rất nhanh và dễ dàng, nhưng nhược điểm chính là nhiều khi chúng để lại tạp chất từ đó khó khăn trong việc tinh sạch. Trong lĩnh vực chẩn đoán phân tử, đặc biệt là đối với các quy trình được quản lý chặt chẽ như chẩn đoán in vitro, càng ít tạp nhiễm càng tốt.
Phát triển nhanh chóng
Sự hoà hợp giữa các chất được coi là yếu tố thầm lặng nhưng quan trọng của sinh học phân tử hiện đại, các dNTP cũng đóng một vai trò nền tảng cho sự ra đời của vaccine RNA, lần đầu tiên được cấp phép để sử dụng chống lại SARS-CoV-2. Vì DNA là một chất bền hơn nhiều so với RNA, RNA tham chiếu thường được lưu trữ dưới dạng ‘copy DNA’, tạo từ các dNTP.
Copy DNA có thể lưu trữ ở -20°C và được đưa trở lại RNA bất cứ khi nào cần. Nếu không có nó, việc phát triển vaccine RNA sẽ khó khăn hơn nhiều, nếu không nói là không thể. Với sự đầu tư mạnh mẽ vào khoa học hiện nay, các kỹ thuật chẩn đoán phân tử và các kỹ thuật sử dụng dNTP sẽ được cải tiến hơn nữa. Một xu hướng là cố gắng phát triển phương pháp qPCR mà nhanh hơn hoặc yêu cầu ít thiết bị hơn, hoặc có thể bỏ qua bước tinh sạch.
Tuy sự phát triển đang diễn ra nhưng có một sự thật chắc chắn rằng dNTP sẽ vẫn là trái tim của sinh học phân tử trong nhiều thập kỷ tới, được ghép nối chân thành với nhau mỗi lần để tạo thành một phân tử DNA mới.
Người dịch: Vũ Hồng Ngọc - K65NCHSE
Biên tập: Nguyễn Thị Thanh Mai, Cao Thị Thu Thuý