Làm cách nào Protein mở “cánh cửa” vào bên trong tế bào

Biện pháp được protein sử dụng cho phép tế bào hấp thụ các chất hóa học từ môi trường xung quanh, trong khi vẫn giữ những chất khác bên ngoài, lần đầu tiên được tiết lộ chi tiết trên số ngày 16 tháng 10, tạp chí Science Express.

Các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu đã xây dựng cấu trúc của một protein gọi là Microbacterium hydantoin permease, hoặc ‘Mhp1’, tồn tại trong màng tế bào của vi khuẩn. Nó thuộc nhóm protein “vận chuyển”, giúp tế bào hấp thụ một số chất từ môi trường xung quanh. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học mô tả được cơ chế đóng và mở của protein vận chuyển cho phép các phân tử đi xuyên quan lớp màng để vào bên trong tế bào.

Giáo sư So Iwata thuộc Đơn vị Sinh học phân tử, Khoa khoa học cuộc sống, Cao đẳng Imperial London, một trong những tác giả của nghiên cứu, giải thích rằng hiểu rõ cấu trúc của protein vận chuyển Mhp1 ở vi khuẩn là rất quan trọng vì hàng trăm protein vận chuyển tương tự có thể được tìm thấy ở màng tế bào của người.

Ông cho biết: “Protein vận chuyển có vai trò quan trọng trong cơ thể người – chúng chịu trách nhiệm cho phép những chất khác nhau, bao gồm muối, đường và amino axit, vào trong tế bào của chúng ta. Thêm vào đó, những protein này là mục tiêu cho nhiều loại thuốc. Hiểu rõ chi tiết cơ chế hoạt động của những protein vận chuyển này có thể giúp các nhà nghiên cứu chế tạo ra những loại thuốc mới hiệu quả hơn trong tương lai”.

Nghiên cứu về loại protein kể trên bắt đầu từ năm 2000, với dự án hợp tác với Công ty Ajinomoto của Nhật Bản. Công ty này làm việc với một loại vi khuẩn gọi là Microbacterium liquefaciens có protein Mhp1 trong màng tế bào. Kết quả cho thấy rằng Mhp1 giúp sự hấp thu những phân tử giống như amino axit gọi là hydantoins qua lớp màng tế bào.

Giáo sư Peter Henderson thuộc Đại học Leeds, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Vấn đề chính là chế tạo đủ protein phục vụ cho nghiên cứu cấu trúc. Chúng tôi đã phát triển những phương pháp kích thích sự biểu hiện của protein Mhp1 trong cơ thể vật chủ, Escherichia coli, cùng với các quy trình tinh chế hiệu quả protein từ màng tế bào. Từ đó chúng tôi có một “đường ống” cung cấp một lượng màng tế bào chứa protein Mhp1 đáng kể cho những đồng nghiệp tại Imperial”.

Giáo sư Iwata và các đồng nghiệp đã phân tích cấu trúc của Mhp1 sử dụng thiết bị tại Phòng thí nghiệm protein màng tế bào (MPL), một trạm nghiên cứu của Cao đẳng Imperial tại Cơ sở xincrôtron quốc gia Diamond Light Source, Oxfordshire. Hộ đã sử dụng MPL, là một trung tâm dành riêng cho nghiên cứu cấu trúc protein màng tế bào, để xay dựng hình ảnh chính xác của protein Mhp1 liên kết với hydantoin.

Các nhà nghiên cứu đã phân tích cấu trúc của Mhp1 trước và sau khi nó đưa phân tử hydantoin vào bên trong tế bào. Họ cũng sử dụng cấu trúc của một protein vận chuyển khác, vSGLT, để tìm hiểu giai đoạn sau quá trình hấp thụ phân tử. 3 cấu trúc này tiết lộ chi tiết làm thế nào Mhp1 vận chuyển phân tử hydatoin qua màng tế bào.

Protein Mhp1 mở phía bên ngoài, cho phép phân tử hydatoin di chuyển vào bên trong. Khi hydatoin được hấp thụ, “cánh cửa” với thế giới bên ngoài được đóng lại, đảm bảm không có chất nào khác đi vào. Sau đó mặt bên trong của protein mở ra đẩy hydantoin vào bên trong tế bào.

Giáo sư Iwata nhận xét về ý nghĩa của phát hiện trên: “Nghiên cứu của chúng tôi đã tiết lộ chức năng phân tử của protein màng tế bào một cách rất chi tiết. Bây giờ chúng ta đã hiểu làm cách nào protein cho phép hydatoin di chuyển qua màng tế bào mà không hấp thụ thêm bất cứ chất nào khác. Cơ chế cũng được nhiều protein màng tế bào sử dụng, bao gồm những protein trong cơ thể người. Do đó, đây là một bước tiến quan trọng trong hiểu biến về các quy trình cơ bản xuất hiện trong tế bào của chúng ta”.

Giáo sư Iwata chỉ đạo một nhóm các nhà khoa học quóc ta tại Phòng thí nghiệm màng tế bào tại Diamond Light Source. MPL là kết quả của sự hợp tác giả Cao đẳng Imperial London và Diamond Light Source, được Wellcome Trust và Cơ quan công nghệ và khoa học Nhật Bản tài trợ.

Giáo sư Henderson là Giám đốc khoa học của Trung tâm protein màng tế bào châu Âu do liên minh châu Âu tài trợ với nhiệm vụ thúc đẩy nghiên cứu hợp tác về protein màng tế bào giữa 18 nước châu Âu.

Nghiên cứu trên Science Express do các nhà nghiên cứu thuộc Cao đẳng Imperial và Đại học Leeds thực hiện, với sự cộng tác của các nhà khoa học từ Nhật Bản và Iran. Nghiên cứu đuowcj BBSRC, Cơ quan công nghệ và khoa học Nhật Bản, Liên minh châu Âu, Wellcome Trust và Công ty Ajinomoto tài trợ.