Để giúp anh/chị quyết định có đọc tiếp hay không, tôi xin phép cung cấp các thông tin liên quan đến bài post này như sau:
- Chủ đề: Bioinformatics, DNA
- Tính thời sự: Tháng 10/2023.
- Thời gian đọc: 10 phút, lồng vào thời gian uống cà phê (uống cà phê xong là đọc xong).
-
Ⓐ Đề dẫn.
Như chúng ta đã biết, giải Nobel Y Sinh năm nay (2023) đã được trao cho bà Katalin Karikó và ông Drew Weissman (giáo sư tại Đại học Pennsylvania – Hoa Kỳ) vào ngày 2/10/2023. Theo thông cáo báo chí thì lý do họ được giải là, trích nguyên văn “for their discoveries concerning nucleoside base modifications that enabled the development of effective mRNA vắc-xin against COVID-19” – tạm dịch “vì những khám phá của họ liên quan đến việc sửa đổi nucleoside base cho phép phát triển vắc xin mRNA hiệu quả chống lại COVID-19”. (Chú ý: tôi để nguyên “nucleoside base” vì quá khó dịch. Chúng ta hiểu “nucleoside base” tương tự các con số 0 đến con số 9 trong hệ cơ số 10 (hệ thập phân). Các nucleoside có hệ cơ số 4 (hệ tứ phân). Vì vậy, có cả thảy 4 “nucleoside base” khác nhau. Mời anh/chị tham khảo giải thích ở phần tiếp theo của bài post này.) Điểm lý thú trong thông cáo báo chí này là người ta trao giải Nobel vì các nhà khoa học nói trên đã có công sửa đổi “nucleoside base”! Đã được gọi là “base” (nền) rồi mà người ta có thể sửa cái nền đấy. Rất tò mò, đúng không anh/chị?
-
Có thể anh/chị sẽ chất vấn: đây là vấn đề Y Sinh thì liên quan gì đến CNTT? Thưa anh/chị là có liên quan đấy. Sự sống (life) ẩn chứa rất nhiều lập trình, với vô số các “phần mềm” tinh vi và phức tạp hơn chúng tưởng rất nhiều.
-
Toàn bộ bài post này tôi lấy thông tin chủ yếu từ thông cáo báo chí và thông tin chuyên sâu về cơ sở khoa học giải thưởng Y Sinh của Hội đồng Nobel.
-
Ⓑ Vắc-xin?
Vì giải thưởng lần này liên quan đến vắc-xin nên tôi xin phép “ôn lại” vài khái niệm liên quan đến vắc-xin. Tôi tóm lược hoặc biên dịch thông tin trên trang who.int của WHO (World Health Organization – Tổ chức Y tế Thế giới).
Mầm bệnh
- Vi trùng ở xung quanh chúng ta, cả trong môi trường và trong cơ thể chúng ta. Khi một người dễ bị tổn thương và gặp phải một sinh vật gây hại, có thể dẫn đến bệnh tật và tử vong.
- Cơ thể có nhiều cách để tự bảo vệ mình trước các mầm bệnh (sinh vật gây bệnh). Da, chất nhầy và lông mao (những sợi lông siêu nhỏ có tác dụng di chuyển các mảnh vụn ra khỏi phổi) đều hoạt động như những rào cản vật lý để ngăn chặn mầm bệnh xâm nhập vào cơ thể ngay từ đầu.
- Khi một mầm bệnh lây nhiễm vào cơ thể, cơ chế phòng vệ của cơ thể chúng ta, được gọi là hệ thống miễn dịch, sẽ được kích hoạt và mầm bệnh sẽ bị tấn công, tiêu diệt hoặc vượt qua.
Phản ứng tự nhiên của cơ thể
- Mầm bệnh là vi khuẩn, vi rút, ký sinh trùng hoặc nấm có thể gây bệnh trong cơ thể. Mỗi mầm bệnh được tạo thành từ một số tiểu thành phần, thường là duy nhất cho mầm bệnh cụ thể đó và căn bệnh mà nó gây ra. Tiểu thành phần của mầm bệnh gây ra sự hình thành kháng thể (antibody) được gọi là kháng nguyên (antigen). Các kháng thể được tạo ra để đáp ứng với kháng nguyên của mầm bệnh là một phần quan trọng của hệ thống miễn dịch. Bạn có thể coi kháng thể như những người lính trong hệ thống phòng thủ của cơ thể. Mỗi kháng thể hoặc người lính trong hệ thống của chúng ta được huấn luyện để nhận biết một kháng nguyên cụ thể. Chúng ta có hàng ngàn kháng thể khác nhau trong cơ thể. Khi cơ thể con người tiếp xúc với một kháng nguyên lần đầu tiên, hệ thống miễn dịch cần có thời gian để phản ứng và tạo ra các kháng thể đặc hiệu cho kháng nguyên đó.
- Sau khi các kháng thể đặc hiệu với kháng nguyên được tạo ra, chúng sẽ phối hợp với phần còn lại của hệ thống miễn dịch để tiêu diệt mầm bệnh và ngăn chặn bệnh. Các kháng thể đối với một mầm bệnh thường không bảo vệ chống lại mầm bệnh khác trừ khi hai mầm bệnh rất giống nhau, giống như anh em họ. Khi cơ thể tạo ra kháng thể trong phản ứng ban đầu với kháng nguyên, nó cũng tạo ra các tế bào trí nhớ sản xuất kháng thể, các tế bào này vẫn tồn tại ngay cả sau khi mầm bệnh bị kháng thể đánh bại. Nếu cơ thể tiếp xúc với cùng một mầm bệnh nhiều lần, phản ứng kháng thể sẽ nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều so với lần đầu tiên vì các tế bào trí nhớ sẵn sàng bơm ra kháng thể chống lại kháng nguyên đó.
- Điều này có nghĩa là nếu một người tiếp xúc với mầm bệnh nguy hiểm trong tương lai, hệ thống miễn dịch của họ sẽ có thể phản ứng ngay lập tức, bảo vệ khỏi bệnh tật.
Vắc-xin giúp ích như thế nào?
Vắc xin là cơ chế tạo ra kháng nguyên, từ đó gây ra phản ứng miễn dịch trong cơ thể. Số lượng kháng nguyên nhỏ sẽ không gây bệnh cho người được tiêm vắc xin nhưng sẽ thúc đẩy hệ thống miễn dịch của cơ thể phản ứng như lúc cơ thể phản ứng với mầm bệnh thực sự.
Các loại vắc-xin trước đại dịch Covid-19
- Vắc-xin toàn phần (whole virus vaccines): loại này chứa nguyên toàn phần virus nhưng đã bị làm suy yếu hoặc bất hoạt. Vắc-xin loại này kích hoạt hệ thống miễn dịch nhưng không gây bệnh cho cơ thể.
- Vắc-xin tiểu đơn vị (protein subunit vaccines): thay vì sử dụng toàn bộ mã của virus, loại vắc-xin tiểu đơn vị chỉ sử dụng một đoạn mã của virus để sản xuất ra kháng nguyên. Các đoạn mã này không xâm nhập được vào tế bào của cơ thể nên không thể gây bệnh. Tuy nhiên, việc kích hoạt theo phương pháp này thường không đủ mạnh và có thể không kích hoạt được hệ thống miễn dịch. Vì đặc tính này nên người ta thường phải tiêm nhiều mũi vắc-xin theo một phác đồ thời gian nhất định.
- Vắc-xin véc-tơ (viral vector vaccines): người ta cấy phần mã gen tạo kháng nguyên vào một loại virus vô hại (virus vô hại đóng vai là véc-tơ, là nơi chứa virus mầm bệnh). Virus vô hại không gây bệnh nhưng đoạn mã gen của virus mầm bệnh kích thích tế bào sản xuất ra các kháng nguyên và từ đó kích hoạt được hệ thống miễn dịch.
-
Ⓒ Sự sống được “số hóa” như thế nào?
Gần đây, truyền thông nói nhiều về “số hóa”. Thật ra, sự sống (life) đã thực hiện số hóa từ rất lâu rồi, cỡ đến hàng tỷ năm trước! Con số hàng tỷ năm là do tôi đoán mò, không dựa trên một cơ sở nào cả. Phần này, tôi nôm na dùng ngôn ngữ CNTT để mô tả một vài khái niệm sinh học. Anh/chị vui lòng đừng quá bận tâm về ý nghĩa hàn lâm của chúng.
① Mã hóa thông tin sự sống.
Nếu như trong máy tính, chúng ta mã hóa thông tin thành các bit 0, 1 thì sự sống mã hóa thành 4 nucleotide cơ sở: A, C, G, U/T. (Chúng ta có thể viết nucleotide hoặc nucleoside, hai từ này đồng nghĩa.)
A: Adenine
C: Cytosine
G: Guanine
T: Thymine
U: Uracil
Trong RNA chúng ta viết các ký hiệu là A, C, G, U.
Trong DNA chúng ta viết các ký hiệu là A, C, G, T.
-
➡ RNA của vi khuẩn có chiều dài khoảng hơn vài triệu nucleotide.
➡ DNA của cơ thể sống bậc cao có chiều dài tới hàng tỷ nucleotide.
➡ DNA của người có chiều dài khoảng 3 tỷ nucleotide, gồm nhiều đoạn mã lặp.
-
② A-xít a-min (Amino acids).
Chỉ có 20 loại a-xít a-min. A-xít a-min được mã hóa theo nhóm 3 nucleotide một, được gọi là một codon. Ví dụ về cách viết codon: ‘AAC’, ‘CCG’. Một byte có 8 bit, còn một codon có 3 nucleotide. Mỗi một bit nucleotide có 4 giá trị khác nhau (A, C, G, U/T). Như vậy, nếu tính tổ hợp thì 3 nucleotide sẽ tạo ra 4*4*4 = 64 tổ hợp khác nhau. (Một byte có 28 = 256 tổ hợp khác nhau.)
⚠ Một codon tương ứng với một a-xít a-min. Vì chỉ có 20 loại a-xít a-min mà lại có 64 tổ hợp codon nên có nhiều codon tương ứng với cùng một a-xit amin. (Tham chiếu: DNA and RNA codon tables.)
Các a-xít a-min có thể được liên kết với nhau để tạo thành protein (đạm).
③ Phiên mã (transcription).
Phiên mã (sao chép mã) là bước đầu tiên của một số bước biểu hiện gen dựa trên DNA, trong đó một đoạn DNA cụ thể được sao chép thành RNA (đặc biệt là mRNA) bởi enzyme RNA polymerase. Tham khảo: Transcription.
Điểm mấu chốt chúng ta cần quan tâm ở đây là “phần mềm sự sống” (life software) có thể chép một đoạn DNA thành RNA.
④ RNA.
Chuyển sang thuật ngữ máy tính, DNA có thể xem như bộ nhớ trên đĩa còn RNA đóng vai là bộ nhớ RAM. Cơ thể sống có một cơ chế “chép” thông tin từ DNA sang các phân tử RNA. Giống như trong máy tính chúng ta đọc file trên đĩa (DNA) và kết quả đọc được chép vào RAM (RNA). Chúng ta có thể hiểu nôm na là “phần mềm sự sống” xử lý chương trình chạy trên RNA. “Bộ nhớ RAM” RNA chứa mã nguồn có thể xử lý được (executable). Cũng giống như RAM, RNA rất mong manh (volatile) trong lúc DNA rất ổn định. (Trong máy tính, khi ta ngắt điện thì bộ nhớ RAM mất toàn bộ nội dung - trong lúc nội dung trên đĩa vẫn giữ nguyên.)
-
⚠ Thời gian tồn tại của mRNA là hữu hạn. Trong vi khuẩn thì con số này là từ 1 đến 3 phút. mRNA trong động vật có vú có thể tồn tại từ nhiều phút đến nhiều ngày.
-
Tế bào có một cỗ máy (có tên gọi là ribosome) có thể phiên mã (translate) các phân tử RNA thành chuỗi a-xít a-min (protein). Ribosome đọc mã trong sợi RNA và căn cứ vào mã đọc được để “sản xuất” ra a-xít a-min. Có thể nói ribosome là “nhà máy tổng hợp protein bên trong tế bào”.
Nguồn.
Chú thích:
- Cap: Đây là mã báo hiệu phần sau là ‘Executable’ (giống như quy định về file .EXE của DOS phải bắt đầu bằng ‘MZ’ hay script lệnh trên UNIX phải bắt đầu bằng ‘#!‘).
- 5’-UTR | 3’UTR: Các vùng này có tên gọi là vùng không dịch mã (untranslated region). Nghĩa là ribosome bỏ qua vùng này, không dịch mã để sản xuất ra a-xít a-min.
- Coding sequence (CDS): Chuỗi mã mà ribosome sẽ đọc và sản xuất ra a-xít a-min (xem minh họa dưới đây).
- Poly-A tail: Chuỗi đuôi kết thúc mRNA. Thường là chuỗi liên tục các base A (có chiều dài khoảng vài trăm base).
-
Minh họa quá trình “sản xuất” protein:
Ribosome định vị con trỏ tại codon ‘Start’ (xem hình vẽ trên)
Lặp cho đến khi gặp codon ‘Stop’: (while codon != ‘Stop’)
Đọc và giải mã codon (trong chuỗi CDS); Tiết ra a-xít a-min tương ứng;
-
Nguồn.
Minh họa phiên mã và dịch mã.
Trong nhân tế bào, DNA được phiên mã thành mRNA. Sau khi được xuất sang tế bào chất, phân tử mRNA được liên kết bởi ribosome và được dịch mã bằng cách sử dụng tRNA, đọc mã codon trong mRNA, tiết ra axit-amin tương ứng.
-
⑤ Protein.
Protein là các phân tử có kích cỡ từ nhỏ đến rất lớn có thể thực hiện (hoặc kích hoạt) hầu hết mọi phản ứng hóa học, quá trình vật lý.
➡ Có loại protein chỉ có ý nghĩa “quản trị nội bộ”. Chẳng hạn như insulin báo hiệu rằng các tế bào nên thay đổi hành vi của chúng, nhưng chính bản thân insulin lại không làm hoặc tạo ra bất cứ điều gì.
➡ Có loại protein đóng vai trò cảm biến, như protein cryptochrome có thể phát hiện ánh sáng, từ trường. Có loại khác đo được mức pH, đo nhiệt độ, đo mức đường glucose!
➡ Có loại protein là men (enzyme) xúc tác phản ứng hóa học để sản sinh ra các phân tử mới.
➡ Có loại protein chỉ đóng vai “cấu trúc” cho tế bào và các hợp phần của tế bào.
║ Tóm lại, protein là các thành tố cơ bản của sự sống, vừa có chức năng cảm biến, vừa có chức năng thực thi.
⑥ Tương tác (interaction).
Tất nhiên, mọi thành tố của cơ thể sống tương tác với nhau.
➡ Có loại protein “chặn” không cho đọc thông tin một khối nào đó của DNA.
➡ Có loại protein “đọc” thông tin DNA chuyển sang RNA và trên cơ sở đó, ribosome sản sinh ra các protein mới.
⑦ Virus.
Virus có RNA và DNA là vật liệu di truyền của chúng. Nhưng virus không có cỗ máy ribosome.
⚠ Nếu protein bao bọc “phần mềm” virus lây nhiễm vào tế bào, thì DNA (hoặc RNA) của chính nó sẽ chạy trên bộ máy của tế bào sống đó. Nếu thành công, cơ chế này sẽ biến tế bào thành một nhà máy sản xuất virus mới, khi được thoát ra, chúng có thể tiếp tục lây nhiễm sang các tế bào khác. Các tế bào bị lây nhiễm lại tiếp tục sản xuất ra protein.
Protein lây nhiễm khi thoát ra khỏi cơ thể, tồn lại lơ lửng trong không khí sẽ lây nhiễm sang người khác qua hệ thống hô hấp. Khi đã bị lây nhiễm thì trong cơ thể của người bị lây nhiễm, các tế bào lại dùng cỗ máy ribosome sinh ra protein. Các protein mới phát sinh này có chứa “phần mềm” (tức là đoạn mã) virus để lây nhiễm sang các tế bào khác, …
-
Virus máy tính lây nhiễm theo cơ chế tương tự. Các file “executable” hoặc file dữ liệu có chứa mã “executable” (ví dụ các đoạn mã macro) nếu bị nhiễm virus thì khi hệ điều hành xử lý file đó virus lây sang chính bản thân hệ điều hành. Khi hệ điều hành bị nhiễm virus chạy một file “executable” khác, hệ điều hành lây virus bị nhiễm sang file “executable” mới này, …
Khi file bị lây nhiễm virus được sao chép từ máy này sang máy khác, nếu không bị phát hiện và bị “tẩy”, thì file mới này lây vào máy được sao chép, rồi lây sang các file khác, …
⚠ Virus không phải là một cơ thể sống, nó là một “phần mềm” “chạy” trên một cơ thể sống.
-
Ⓓ Đột phá của nguyên lý vắc-xin mRNA.
Ý tưởng
Sản xuất vắc-xin toàn phần, vắc-xin tiểu đơn vi, vắc-xin véc-tơ (như đã được đề cập ở trên) đòi hỏi phải nuôi cấy tế bào quy mô lớn. Điểm này hạn chế khả năng sản xuất vắc-xin nhanh chóng để ứng phó với các đợt bùng phát dịch hoặc đại dịch.
Các nhà khoa học từ lâu đã quan tâm đến việc nghiên cứu loại vắc-xin có thể kích hoạt tế bào trong cơ thể sản xuất ra protein chứa kháng nguyên. Tức là kháng nguyên được chính tế bào sinh ra chứ không phải được tiêm từ ngoài vào. Loại vắc-xin này có tên gọi là Nucleic Acid Vaccines. Chúng ta tưởng tượng là người ta tìm cách đưa toàn bộ mã gen của virus vào nhân tế bào. Khi đã vào được ngăn trong của tế bào thì tế bào sẽ sử dụng cỗ máy ribosome của mình đọc mã gen của virus và sản xuất ra protein chứa kháng nguyên.
Người ta chia loại vắc-xin kiểu này thành 2 nhóm là vắc-xin DNA và vắc-xin mRNA. Lúc đầu người ta nghĩ rằng vắc-xin DNA ổn định hơn vắc-xin mRNA, vì DNA ổn định hơn mRNA (thời gian tồn tại của mRNA hữu hạn). Tuy nhiên, vắc-xin DNA phải vượt qua 2 rào cản là màng sinh chất (plasma membrane) và màng nhân (nuclear membrane) của tế bào. Ngược lại, vắc-xin mRNA chỉ cần vượt qua một rào cản là màng tế bào chất (cytoplasmic membrane) là đã đến được vùng phiên mã (là nơi mà cỗ máy ribosome đọc mã gen và sản xuất ra protein).
Thách thức
Cơ thể của động vật luôn có một hệ thống chống virus tấn công. Các tế bào không hề thích thú gì với các RNA ngoại lai cả và sẽ cố gắng ở mức cao nhất để hủy diệt các RNA ngoại lai này. Đây có thể coi như “bức tường lửa”, nói theo ngôn ngữ hệ thống máy tính.
Vào những năm 1980, người ta đã có thể sản xuất mRNA theo phương pháp in vitro (từ ống nghiệm). Trong thực nghiệm, nếu người ta tiêm y nguyên mRNA thì xảy ra hiện tượng viêm – đó chính là phản ứng của cơ thể (bức tường lửa) nhằm tiêu diệt các loại RNA ngoại lai. Hiện tượng này đã dập tắt nguồn cảm hứng ban đầu về tiềm năng của mRNA.
Tuy nhiên, những trở ngại này không làm nản lòng nhà hóa sinh người Hungary Katalin Karikó, người đã cống hiến hết mình cho việc phát triển các phương pháp sử dụng mRNA để trị liệu.
Đột phá
Karikó và Weissman (hai nhà khoa học nhận giải Nobel) nhận thấy rằng các tế bào đuôi gai xem mRNA được phiên mã in vitro là một chất lạ, dẫn đến việc chúng kích hoạt các phân tử tín hiệu viêm. Họ tự hỏi tại sao mRNA được phiên mã trong ống nghiệm lại được coi là ngoại lai trong khi mRNA từ tế bào động vật có vú lại không gây ra phản ứng tương tự. Karikó và Weissman nhận ra rằng có một số đặc tính quan trọng nào đó làm cho mRNA sản xuất từ ống nghiệm khác với mRNA từ tế bào động vật có vú.
Karikó và Weissman biết rằng các base trong RNA từ tế bào động vật có vú thường xuyên bị biến đổi về mặt hóa học, trong khi mRNA được phiên mã in vitro thì không. Ơ-rê-ka! Có lẽ đó là chìa khóa của vấn đề chăng!?
Để nghiên cứu hiện tượng này, họ đã tạo ra các biến thể khác nhau của mRNA, mỗi biến thể có những thay đổi hóa học riêng biệt trong các base mà họ cấy vào các tế bào đuôi gai (Nhắc lại: RNA chứa bốn base, viết tắt là A, U, G và C). Kết quả thật đáng ngạc nhiên: Phản ứng viêm gần như bị loại bỏ khi các biến đổi base được đưa vào mRNA. Đây là một sự thay đổi về mô hình trong hiểu biết của chúng ta về cách tế bào nhận biết và phản ứng với các dạng mRNA khác nhau. Karikó và Weissman ngay lập tức hiểu rằng khám phá của họ có ý nghĩa sâu sắc đối với việc sử dụng mRNA làm liệu pháp. Những kết quả quan trọng này được công bố vào năm 2005, 15 năm trước khi đại dịch COVID-19 xảy ra.
-
Nguồn
|| Tóm lại: để loại bỏ phản ứng viêm, Karikó và Weissman đã thay base U bằng một giả base U (ký hiệu là Ψ trong hình vẽ trên). Chỉ một thay đổi này thôi đã mang về cho họ giải Nobel danh giá! 😊
-
Ⓔ Suy ngẫm chậm.
✦ Nếu anh/chị đọc tham khảo nguồn tôi đã dẫn thì khám phá của Karikó và Weissman chỉ dừng lại ở mức “tiềm năng” (vào năm 2005). Chúng ta biết rằng từ “tiềm năng” đi đến “thực tế” là một quãng đường. Chỉ sau khi đại dịch COVID-19 xảy ra thì các công ty Pfizer & BioNTech và Moderna mới biến các ý tưởng đó thành hiện thực. Các công ty này đã sản xuất ra hơn 13 tỷ liều vắc-xin, góp phần quan trọng vào việc dập đại dịch COVID-19, giúp thế giới dần trở lại cuộc sống bình thường. Ý tưởng là công khai nhưng không phải ai cũng có thể biến ý tưởng thành thực tế. Vì vậy, có thể nói không ngoa rằng các công ty Pfizer & BioNTech và Moderna đã nâng tầm ý tưởng của họ.
✦ Một điểm rất đáng chú ý của khám phá này: thay đổi một cách căn bản nhận thức của giới khoa học về tương tác của hệ thống miễn dịch với mRNA. Với công nghệ mRNA, người ta có thể can thiệp trực tiếp đến hệ thống vận hành sự sống, chèn trực tiếp các đoạn mã lập trình vào “life software” (phần mềm sự sống). Cũng giống như công nghệ sửa gen, công chúng và các nhà khoa học vẫn còn nhiều ý kiến trái chiều.
-
Cuối cùng, như thường lệ, tôi nhờ bạn thỏ nhỏ mời anh/chị một tách cà phê (ảo), hy vọng anh/chị có thêm một chút thư giãn cuối tuần.
Credit: DALL·E.
