Khối phổ trong nghiên cứu Proteomic - hướng đi triển vọng trong Công nghệ Sinh học trong thế kỷ 21

Khối phổ trong nghiên cứu Proteomic – hướng đi triển vọng trong Công nghệ Sinh học trong thế kỷ 21

Hệ protein (proteome) là tập hợp toàn bộ protein, được tạo ra hoặc được cải biến bởi sinh vật hoặc một hệ thống. Proteomics là lĩnh vực liên ngành dựa trên cơ sở nghiên cứu và phát triển Dự án bản đồ gen người. Proteomics là môn khoa học nghiên cứu protein trên quy mô lớn, chủ yếu tập trung vào cấu trúc, định hướng, chức năng, tương tác protein, biến đổi, ứng dụng và tầm quan trọng của protein

Khi chức năng của protein được khám phá, nó sẽ giúp chúng ta hiểu rõ ràng hơn về chức năng của gen trong giai đoạn sau-giải mã bộ gene. Proteomics có thể phân chia làm 03 lĩnh vực nhỏ:

xác định vi đặc tính của từng protein đối với sự đồng hóa protein trong một hệ thống quy mô lớn và sự hiệu chỉnh của chúng sau phiên mã.
xem xét sự biểu hiện khác biệt (differential display) của các protein từ đó tìm ra các ứng dụng của chúng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
nghiên cứu sự tương tác protein-protein (protein-protein interaction) thông qua các kỹ thuật, công cụ hiện đại như khối phổ (mass spectrometry), hệ thống lai nấm men hai pha (yeast two-hybrid system).

Chức năng của proteomic:

Có thể xem Proteomics là phần bổ sung cho genomics do proteiomics tập trung vào các sản phẩm của gene, và cũng chính các proteins (tức sản phẩm của gene) mới là yếu tố hoạt động chủ động trong tế bào. Vì lý do đó mà proteomics đóng góp trực tiếp lên việc khám phá và phát triển thuốc do bởi hầu hết các thuốc dùng để điều trị đều tác dụng trực tiếp lên protein.

Phương pháp proteomics xác định mối tương quan giữa mức độ mRNA và mức độ biểu hiện protein vì giữa hai yếu tố này, có thể có mà cũng có thể không có mối tương quan nào. Một vấn đề nữa mà thông tin trình tự gene không thể nào cung cấp cho nhà nghiên cứu đó là sự định vị của sản phẩm gene (tức là vị trí mà protein sẽ thể hiện chức năng trong tế bào).

Nhận dạng và định lượng protein.

– Phân tích thành phần các protein riêng biệt có trong hỗn hợp protein phức tạp, nhận biết các yếu tố cấu thành và phân tích số lượng tổng hợp.

– Hàng nghìn loại protein có thể được phân tách, định lượng và nhận biết nhanh chóng.

– Nhận biết các loại protein được sản xuất trong tế bào.
– Nhận biết các loại protein biểu hiện khác nhau giữa các mẫu khác nhau và các đặc điểm biến đổi trước quá trình dịch mã.
– Sử dụng protein chips trong phân tích và định lượng.
– Phương pháp nghiên cứu: 2DGE: điện di hai chiều, HPLC: sắc ký lỏng cao áp, MS: mass spectrometry, MultiD-LC, multidimensional liquid chromatography.

Xác định cấu trúc và chức năng của proteome.

– Nhận biết cấu trúc phân tử của protein: Trình tự amino acid , nhận biết trình tự gene tương ứng
– Trình tự, cấu trúc và chức năng của protein có liên hệ mật thiết với nhau
– Phương pháp sử dụng: Mass spectrometry

– Là cơ sở cho ngành Tin sinh học trong nghiên cứu lưu trữ, giới thiệu, so sánh và dự đoán các cấu trúc protein

Xác định cấu trúc tương tác protein – protein, hoặc protein với các phân tử khác. (non-protein)

– Nghiên cứu tính di truyền và các tương tác lý học giữa các protein cũng như các tương tác giữa các protein và nucleic acids hoặc các phân tử nhỏ
– Cung cấp các thông tin có liên quan đến proteomics chức năng và phân tích vị trí protein trên phạm vi rộng
– Thiết kế bản đồ liên kết proteome dựa trên các tương tác đôi giữa các protein và các tương tác cao hơn được nhận biết bởi hệ thống phân tích các phức hợp protein
– Các phương pháp sử dụng:
HTI: high-throughput imaging
Y2H: yeast two hybrid system
MS, mass spectrometry, MS/MS, tandem massspectrometry.

Xác định mức biểu hiện của các protein tại các thời điểm khác nhau.

– Các thay đổi trong biểu hiện protein trong các quá trình biệt hoá, tăng sinh và truyền tín hiệu của các tế bào cả về mặt chất lượng và định lượng
– Nghiên cứu về sự biểu hiện của gene
– Trình tự quá trình điều khiển trong các giai đoạn mà một tế bào hoặc một tổ chức cơ thể phải trải qua trong suốt quá trình sống

Ứng dụng của proteomic:

Một trong những ứng dụng quan trọng đầu tiên của proteomics là trong lĩnh vực nghiên cứu ung thư. Việc tìm ra những biến đổi trong hệ protein của bệnh nhân ung thư có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu rõ hơn về cơ chế phát sinh bệnh ở mức độ phân tử. Các protein biến đổi cũng có thể trở thành các chỉ thị sinh học mới góp phần sàng lọc, chẩn đoán sớm và theo dõi tiến triển của bệnh

Phương pháp khối phổ trong nghiên cứu proteomic và các xét nghiệm lâm sàng:

Khối phổ, phương pháp khối phổ, kỹ thuật khối phổ hay phương pháp phổ khối lượng (tiếng anh là Mass spectrometry, viết tắt là MS) là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion.

Trong quy trình MS điển hình, mẫu vật có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí, được ion hóa, ví dụ như bằng cách bắn phá mẫu vật bằng một chùm electron. Điều này có thể khiến một số phân tử của mẫu bị vỡ thành các mảnh tích điện dương hoặc đơn giản là trở nên tích điện dương mà không bị phân mảnh.

Các ion phân mảnh này sau đó được tách ra theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng, bằng cách gia tốc chúng và đặt chúng vào một điện trường hoặc từ trường: các ion có cùng tỷ lệ khối lượng trên điện tích sẽ trải qua cùng một lượng lệch hướng. Các ion được phát hiện bởi một cơ chế có khả năng phát hiện các hạt mang điện, chẳng hạn như hệ số nhân điện tử (electron multiplier).

Kết quả được hiển thị dưới dạng phổ cường độ tín hiệu của các ion được phát hiện như một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Các nguyên tử (atoms) hoặc phân tử trong mẫu có thể được xác định bằng cách tương quan các khối lượng toàn bộ phân tử với các khối lượng đã xác định hoặc thông qua một mẫu phân mảnh đặc trưng.

Khối phổ là một phương pháp quan trọng để xác định đặc tính và xác định trình tự của protein. Hai phương pháp chính để ion hóa toàn bộ protein là ion hóa tia điện tử (ESI) và giải hấp thụ hay ion hóa laser hỗ trợ ma trận (MALDI). Để phù hợp với hiệu suất và phạm vi khối lượng của các khối phổ kế hiện có, hai cách tiếp cận được sử dụng để xác định đặc tính của protein

Trong lần đầu tiên, các protein nguyên vẹn được ion hóa bằng một trong hai kỹ thuật được mô tả ở trên và sau đó được đưa vào máy phân tích khối lượng. Cách tiếp cận này được gọi là chiến lược phân tích protein “từ trên xuống | top-down “. Tuy nhiên, cách tiếp cận từ trên xuống phần lớn bị giới hạn trong các nghiên cứu về protein đơn có thông lượng thấp.

Trong lần thứ hai, protein được tiêu hóa bằng enzym thành các peptit sử dụng protease như trypsin hoặc pepsin, ở dạng dung dịch hoặc dạng gel sau khi tách điện di, được gọi là phương pháp tiếp cận ” từ dưới lên | bottom-up”. Các tác nhân phân giải protein khác cũng được sử dụng. Tập hợp các sản phẩm peptit thường được tách bằng sắc ký trước khi đưa vào máy phân tích khối lượng.

Khi mẫu đặc trưng của các peptit được sử dụng để nhận dạng protein, phương pháp này được gọi là lấy dấu khối lượng peptit (peptide mass fingerprinting | PMF), nếu việc nhận dạng được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu trình tự được xác định trong phân tích MS thì phương pháp này được gọi là xác định trình tự peptit de novo.

Cách tiếp cận thứ ba là “middle-down | trung gian” trung gian này liên quan đến việc phân tích các peptit phân giải protein lớn hơn peptit tryptic thông thường.