GFP – một phát minh thời đại của thế giới trong nghiên cứu sinh học phân tử

Trong thông báo về việc trao giải Nobel hoá học năm 2008, Viện Hàn lâm Hoàng gia Thuỵ Điển viết: Các protein phát quang “trong suốt thập kỷ vừa qua có chức năng như một ngôi sao dẫn đường cho các nhà nghiên cứu sinh học, sinh hoá học, y học và những nhà khoa học khác nữa”. Điều đó nói lên tầm quan trọng và ý nghĩa của GFP (green fluorescent proteins), đồng thời tôn vinh sự đóng góp của 3 nhà khoa học Osamu Shimomura (Nhật Bản), Martin Chalfie (Mỹ) và Roger Y. Tsien (Mỹ, gốc Trung Quốc) đã có công nghiên cứu bản chất và phát triển những ứng dụng trong công nghệ gen và sản phẩm protein phát quang.

Ba nhà khoa học đồng đạt giải Nobel hóa học năm 2008 về GFP: Osamu Shimomura (trái), Roger Y. Tsien (giữa) và Martin Chalfie (phả)

1. Lịch sử nghiên cứu và phát hiện

Năm 1960, Osamu Shimomura, khi đang là một nhà khoa học trẻ người Nhật Bản, vừa công bố về việc phát hiện ra phân tử phát sáng, tách chiết từ một loài đom đóm biển thì được mời sang Mỹ làm việc ở Phòng thí nghiệm Sinh học biển thuộc Khoa Sinh, Đại học Princeton để tiếp tục nghiên cứu sự phát quang của các sinh vật. Đối tượng nghiên cứu của ông ở đây là loài sứa biển có tên khoa học là Aequorea victoria. Ròng rã 20 năm liền nghiên cứu miệt mài trên khoảng 50.000 con (khoảng 2,5 đến 3 tấn), ông cắt và chiết từ các “mấu” quanh con sứa, nơi phát ra một thứ có ánh sáng xanh mờ mờ. Ông đã tách ra được chất chính trong nước ép ấy là một protein với hiệu suất chỉ vài miligam trong hàng tấn sứa, xác định công thức phân tử của nó và đặt tên là Aequorin.

Gen GFP được tách từ loài sứa Aequorea victoria

Tiếp đó, Shimomura nghiên cứu cơ chế hoạt động của chất này: ông phát hiện khi kết hợp với ion canxi nó phát ra ánh sáng xanh da trời. Thứ ánh sáng này bị chất protein khác, gọi là GFP hấp thụ để đến lượt nó, phát ra ánh sáng màu xanh lá cây. GFP gồm 238 aminoaxit có đỉnh kích thích (excitation peak) cực đại ứng với bước sóng 395 nanomet và cực tiểu là 465 nanomet. GFP có khả năng phát quang ngay cả khi bị phơi dưới ánh sáng của tia tử ngoại.

Các bước sóng của GFP

Đến những năm 1980, tại Phòng thí nghiệm Sinh hoá Trường ĐH Columbia, giáo sư Martin Chalfie nghiên cứu sự chuyển hoá protein trong cơ thể sinh vật thông qua một loài giun tròn trong suốt, có thể theo dõi tiến trình di chuyển của một protein mong muốn nào đó trong cơ thể nó dưới kính hiển vi. Nhưng ông đang gặp khó khăn khi muốn nghiên cứu trên các động vật không trong suốt như giun tròn. Tình cờ khi biết đến chất GFP mới được phát minh, ông nảy ra ý tưởng mới về việc dùng phương pháp ghép gen - một thành tựu mới của Sinh học để đưa GFP vào các protein khác, nhờ khả năng phát quang của nó dưới ánh sáng tử ngoại để lần theo quá trình chuyển hoá của bất cứ protein nghiên cứu nào. Kết quả thật tuyệt vời, Ông đã thành công và tạo ra vài con vật phát sáng xanh lè trong bóng tối, nhờ ghép gen GFP từ sứa biển.

Cùng với hướng nghiên cứu trên, người ta còn biến tính hoặc gây đột biến GFP để thu được những GFP có màu khác nữa. Năm 1995, Robert Y. Tsien tại Trường ĐH California đã thực hiện thành công một phương pháp biến tính quan trọng, nâng cao được đặc trưng quang phổ của GFP, có cường độ phát quang cao hơn, và bền hơn hàng chục lần. Người ta đã lợi dụng tính phát quang của GFP - dùng như một chất đánh dấu rất đặc trưng - để nghiên cứu những quá trình xảy ra ở bên trong tế bào, các quá trình phức tạp dưới mức phân tử (submolecular), mà trước đây không nhìn thấy được nên không có cách nào để theo dõi.

Các màu phát huỳnh quang của GFP và bức tranh được “vẽ” bằng vi khuẩn

của tiến sĩ Robert Y. Tsien

Robert Y. Tsien đã tạo ra được các protein huỳnh quang với 8 màu khác nhau để quan sát tới 8 quá trình sinh học đang diễn ra tại một thời điểm, xác định vai trò của 8 protein đồng thời ở một cơ thể, vừa hiểu được tương tác giữa chúng, vừa rút ngắn thời gian nghiên cứu được nhiều lần.

2. Nghiên cứu ứng dụng

Các nhà nghiên cứu tại nhiều phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đã hân hoan đón nhận và triển khai các nghiên cứu phát triển ứng dụng về GFP một cách rộng rãi trên rất nhiều lĩnh vực. Việc đưa GFP vào chuỗi protein, dựa trên sự quan sát ánh sáng do chúng phát ra, giúp chúng ta hiểu được chức năng và sự chuyển hoá của từng loại protein trong cơ thể, làm sáng tỏ những hiểu biết cơ bản về con người, cũng như các sinh vật khác. Các thí nghiệm được triển khai rầm rộ đã mang lai rất nhiều thành công trong nghiên cứu trên cả thực vật lẫn động vật, đồng thời phát triển sâu rộng các ứng dụng khi tiến hành cấy ghép các gen GFP vào các đối tượng nghiên cứu để theo dõi được cả quá trình di truyền theo các thế hệ sinh vật. GFP cũng đã góp phần quan trọng trong thúc đẩy những tiến bộ trong nghiên cứu tế bào gốc, nhân bản vô tính, ghép nội tạng, nghiên cứu các hệ thần kinh, v.v... Nhờ đó, hàng loạt quá trình sinh hoá được làm sáng tỏ, mở rộng hiểu biết của loài người về quá trình sống của cơ thể sinh vật, từ cỏ cây đến các con vật cụ thể. Nhiều cơ chế gây bệnh cho con người được giải thích rõ ràng.

Một số loài thực vật phát huỳnh quang nhờ ứng dụng GFP

Các nghiên cứu ứng dụng GFP và gen GFP đã được các nhà khoa học trên thế giới phát triển một cách vô cùng đa dạng và phong phúvtrong suốt hơn thập kỷ qua. Họ đã tạo ra các loài thực vật phát quang trên hoa, lá,... hay các động vật phát quang trong bóng tối chuột, thỏ, mèo, khỉ, chó, lợn…

Một số hình ảnh về các kết quả nghiên cứu ứng dụng GFP trên động vật

Tại Việt Nam, từ năm 1998 các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực chuyển gene và tế bào gốc và đã đạt được một số thành tựu nhất định. Năm 2009, một phòng thí nghiệm tại ĐH khoa học tự nhiên TPHCM đã chuyển thành công gene GFP của sứa biển bằng phương pháp "bắn" gene vào trứng cá Ngựa Vằn và đã tạo ra được hơn 120 con cá phát quang. Đây là lần đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu thành công ứng dụng gene GFP được thực hiện thành công.

Ngày nay, cùng với sự phát triển ngày càng sâu rộng của các lĩnh vực khoa học, những khám phá về GFP sẽ tiếp tục là công cụ, là yếu tố chỉ thị 'dẫn đường' đầy ý nghĩa cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu, tiếp tục được phát triển sâu rộng và ứng dụng trên nhiều đối tượng và phương diện, nhất là trong khoa học sự sống để góp phần mang lại sự phát triển và tiến bộ của nhân loại trên toàn thế giới

Tài liệu tham khảo

1. Chalfie M, Tu Y, Euskirchen G, Ward W, Prasher D (1994). "Green fluorescent protein as a marker for gene expression". Science 263 (5148): 802–5. doi:10.1126/science.8303295. PMID 8303295.

2. Ormö M, Cubitt A, Kallio K, Gross L, Tsien R, Remington S (1996). "Crystal structure of the Aequorea victoria green fluorescent protein". Science 273 (5280): 1392–5. doi:10.1126/science.273.5280.1392. PMID 8703075.

3. "The Nobel Prize in Chemistry 2008". 2008-10-08. Retrieved 2008-10-08.

4. Stepanenko OV, Verkhusha VV, Kuznetsova IM, Uversky VN, Turoverov KK (August 2008). "Fluorescent proteins as biomarkers and biosensors: throwing color lights on molecular and cellular processes". Curr. Protein Pept. Sci. 9 (4): 338–69. doi:10.2174/138920308785132668. PMC 2904242. PMID 18691124.