Peter Wolynes và nhóm nghiên cứu của ông tại Đại học Rice đã công bố một bước tiến đột phá trong nghiên cứu tìm hiểu cách thức tiến hóa của các trình tự gen đặc hiệu (còn gọi là các gen giả Pseudogenes) diễn ra như thế nào. Nghiên cứu của họ đã được công bố ngày 13 tháng 5 trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Dưới sự lãnh đạo của Wolynes, giáo sư khoa học của Quỹ Bullard-Welch, giáo sư hóa học, khoa học sinh học, vật lý và thiên văn học, đồng thời là giám đốc Trung tâm Vật lý sinh học lý thuyết (CTBP), nhóm nghiên cứu đã tập trung giải mã các hiện tượng năng lượng phức tạp của chuỗi protein được coi là không tiến hóa thành các gen giả pseudogenes.

Gen giả Pseudogenes là các đoạn DNA đã từng mã hóa protein nhưng sau đó nó bị mất đi khả năng thực hiện chức năng mã hóa này do bị suy giảm trình tự hay bị phân hủy trình tự nào đó.  Mặc dù ở trạng thái không hoạt động, nhưng các pseudogene vẫn mở ra cánh cửa nghiên cứu về hành trình tiến hóa của protein cho các nhà nghiên cứu.

Wolynes nói: “Bài báo nghiên cứu của chúng tôi giải thích rằng, protein có thể ngừng tiến hóa. Chuỗi ADN có thể bị mất tín hiệu yêu cầu nó mã hóa protein do bị đột biến hoặc do nguyên nhân nào khác. ADN sau đó vẫn tiếp tục biến đổi nhưng không nhất thiết phải tạo ra một chuỗi protein có thể gấp lại được".

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về các ADN “rác” (junk DNA) trong bộ gen không tiến hóa. Nghiên cứu của họ tiết lộ rằng sự tích lũy đột biến trong các trình tự pseudogenes sẽ gây ra hiện tượng phá vỡ mạng lưới tương tác ổn định nguyên bản, khiến cho các trình tự này gặp khó khăn nếu chúng dịch mã để có thể gấp nếp thành các protein chức năng.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy có những trường hợp trong đó một số đột biến nhất định để có thể ổn định được quá trình gấp nếp các pseudogenes thì trước đó chúng phải trả giá bằng việc phải thay đổi chức năng sinh học của chúng.

Họ đã xác định được các pseudogenes cụ thể bao gồm cyclophilin A, profilin-1 và protein ít biến đổi giống với ubiquitin 2, trong đó các đột biến ổn định thường xảy ra ở những vùng quan trọng có sự liên kết với các phân tử khác và các chức năng khác. Điều này cho thấy sự cân bằng phức tạp giữa hoạt động sinh học và sự ổn định của protein.

Nghiên cứu nhấn mạnh tính chất linh hoạt của quá trình tiến hóa protein bởi vì có một số pseudogenes trước đây có thể lấy lại chức năng mã hóa protein theo thời gian mặc dù chúng phải trải qua nhiều đột biến.

Dựa trên các mô hình tính toán phức tạp, các nhà nghiên cứu đã giải thích được sự tương tác giữa các nếp gấp vật lý và tiến hóa của các pseudogenes. Phát hiện của họ cung cấp những bằng chứng cho thấy đặc điểm hình phễu của các hình ảnh gấp nếp của protein là do từ quá trình tiến hóa.

Wolynes cho biết: “Protein có thể ngừng tiến hóa và khả năng gấp nếp của chúng bị tổn hại theo thời gian do đột biến hoặc các nguyên nhân khác. Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy sự tiến hóa đang định hình nên sự gấp nếp của protein”.

Cùng với Wolynes, nhóm nghiên cứu bao gồm: cộng tác viên sau tiến sĩ của CTBP, Carlos Bueno; sinh viên tốt nghiệp Đại học Texas tại Dallas Jonathan Martin; Faruck Morcos, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Sinh học tại UT-Dallas; và nhà nghiên cứu lý sinh CTBP Nicholas P. Schafer.

Hana Jaafari, đồng tác giả chính, nghiên cứu sinh vật lý ứng dụng cho biết, ý nghĩa của nghiên cứu này vượt ra ngoài phạm vi sinh học lý thuyết với các ứng dụng tiềm năng trong kỹ thuật protein.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/, 5/2024