Hình thành cấu trúc protein - đột phá khoa học của năm

Trong bài phát biểu nhận giải Nobel năm 1972, nhà hóa sinh người Mỹ Christian Anfinsen đã gợi mở: “Một ngày nào đó, có thể dự đoán cấu trúc 3D của bất kỳ loại protein nào chỉ đơn thuần từ trình tự các khối axit amin. Với hàng trăm nghìn protein trong cơ thể con người, tiến bộ này sẽ đem lại những ứng dụng rộng khắp, cung cấp  hiểu biết sâu sắc về sinh học cơ bản và tiết lộ các mục tiêu phát triển những loại thuốc mới đầy hứa hẹn”. Sau gần 50 năm, năm 2021 các nhà nghiên cứu đã hiện thực hóa giấc mơ của Anfinsen khi chứng minh rằng các phần mềm được phát triển dựa trên trí thông minh nhân tạo (AI) có thể dự đoán cấu trúc protein một cách chính xác.

Trí tuệ nhân tạo đã dự đoán cách hai protein tạo thành một phức hợp liên quan đến quá trình sửa chữa DNA trong nấm men.

Sự gấp khúc của protein là một yếu tố liên quan mật thiết đến chức năng của chúng. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, các bệnh hiện không thể điều trị như tiểu đường, Parkinson và Alzheimer đều liên quan đến lỗi protein. Trong tương lai gần chúng ta có thể hy vọng rằng, cấu trúc ba chiều của protein sẽ được dự đoán chính xác, từ đó thiết kế được các protein mới để điều trị các căn bệnh hiểm nghèo.  

Năm 2021, các dự đoán cấu trúc protein bằng AI đã có bước phát triển vượt bậc với sự ra đời chương trình mã nguồn mở của mạng nơ-ron học sâu RoseTTAFold, giúp giải quyết được cấu trúc của hàng trăm loại protein. Không lâu sau đó, số lượng protein được giải mã đã lên đến 350.000 loại, tương ứng với khoảng 44% tất cả các loại protein đã biết của con người.

Hiện nay, mã nguồn AlphaFold2 và RoseTTAFold hiện đã được tiết lộ rộng rãi, là cơ sở dữ liệu phong phú cho các nhà khoa học. Vào tháng 11, các nhà nghiên cứu ở Đức và Mỹ đã sử dụng AlphaFold2 và cryo-EM để lập bản đồ cấu trúc của phức hợp lỗ hạt nhân, một tổ hợp gồm 30 loại protein khác nhau kiểm soát việc tiếp cận nhân tế bào. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng AlphaFold2 để lập bản đồ cấu trúc của gần 200 protein liên kết với DNA, có thể liên quan đến mọi thứ, từ sửa chữa DNA đến biểu hiện gen.

Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu về SARS-CoV-2 đang sử dụng phần mềm AlphaFold2 để lập mô hình tác động của các đột biến trong protein đột biến của biến thể Omicron. Bằng cách chèn các axit amin lớn hơn vào protein, các đột biến đã thay đổi hình dạng của protein, giúp giữ các kháng thể không liên kết với chúng, từ đó vô hiệu hóa vi-rút.

Bước đột phá trong quá trình dự đoán cấu trúc protein là một trong những tiến bộ vĩ đại nhất từ trước đến nay, cả về thành tựu khoa học lẫn khả năng tạo cơ sở cho các nghiên cứu trong tương lai.