SAXS – một công cụ mạnh trong nghiên cứu cấu trúc sinh học

Small Angle X-ray Scattering (SAXS) là gì?

SAXS – Tán xạ tia X góc nhỏ là một kỹ thuật phân tích được dùng để mô tả đặc tính cấu trúc của nhiều loại vật liệu trên thang độ dài từ nm đến μm [1][2].

 

Kỹ thuật giống như tán xạ ánh sáng; tuy nhiên, bước sóng ngắn hơn rất nhiều của tia X mở rộng khả năng thăm dò xuống cấp độ phân tử, kết quả trung bình mang tính đại diện cao, ít bị tạo tác (artifacts) hơn và cung cấp các chi tiết có độ phân giải cao hơn một số bậc [1].

 

Trong sinh học, SAXS hiện là một trong những công cụ nghiên cứu cấu trúc sinh học mạnh được sử dụng để xác định đặc điểm hình dạng và kích thước của protein (bao gồm cả kháng nguyên và kháng thể), hay mô tả đặc tính của phức hợp protein, cũng như để nghiên cứu DNA và RNA trong dung dịch [1]. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho một loạt các kích thước khác nhau, từ peptide cho đến các đại phân tử phức tạp có trọng lượng từ vài kDa đến GDa [3].

 

Lợi thế của SAXS nằm ở chỗ mẫu không cần phải kết tinh như kỹ thuật X-ray crystallography hoặc chuẩn bị mẫu đông lạnh với Cryo-EM, hay không bị giới hạn trọng lượng phân tử < 40-50 kDa với NMR mà chỉ yêu cầu chuẩn bị mẫu ở mức tối thiểu, mẫu có thể được đo ngay trong dung dịch ở trạng thái gần tự nhiên nhất [7]. Môi trường dung dịch cũng cho phép áp dụng kỹ thuật ở các điều kiện gần giống với môi trường sinh lý của mẫu (nhiệt độ, pH, nồng độ muối hoặc áp suất cao,…)[1][3][7]. Kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng để quan sát trực tiếp các phản ứng sinh hóa khi chúng đang xảy ra và đo động học của chúng bằng cách sử dụng các phép đo phân giải theo thời gian của tín hiệu tán xạ góc nhỏ [7].

 

Những ưu điểm và hạn chế của SAXS so với các kỹ thuật phân tích cấu trúc sinh học khác như X-ray crystallography, Cryo-EM, NMR và SANS sẽ được phân tích rõ trong bài viết dưới đây. Việc hiểu bản chất các kỹ thuật này sẽ giúp phối hợp, sử dụng các kỹ thuật này sẽ cho thấy bức tranh toàn diện và hiểu biết sâu sắc hơn về đối tượng nghiên cứu, cũng như đạt hiệu quả cao hơn, tránh được lãng phí thời gian, công sức và tiền bạc tương ứng.

So sánh một số kỹ thuật nền tảng trong lĩnh vực sinh học cấu trúc

Thực nghiệm SAXS trong sinh học như thế nào?

Điều thú vị là ý tưởng cơ bản đằng sau một thí nghiệm SAXS lại rất đơn giản: chiếu một chùm tia X đơn sắc lên một dung dịch chứa vật liệu sinh học, sau đó thu tia X tán xạ từ mẫu tại góc nhỏ (0.1° – 10°) bằng detector 2D và tái tạo hình dạng 3D cùng các thông tin liên quan từ dữ liệu thu được [6].

 

Video “WeNMR Small Angle X-ray Scattering Animation” minh họa trực quan các nguyên tắc của kỹ thuật này [9].

Cụ thể hơn với protein, SAXS có thể xác định các thông số nào? [1][2][3][6]

 

• Hình dạng 3D của protein ở độ phân giải thấp (low-resolution 3D protein shape)
• Bán kính hồi chuyển (R_g  – radius of gyration)
• Trọng lượng phân tử (M_w – molecular weight)
• Phân bố kích thước hạt (Particle size distributions)
• Khoảng cách tối đa giữa các hạt (D_max – maximum intra-particle distance)
• Sự cuộn gấp của protein (Protein folding)
• Sự biến tính của protein (Denaturation of protein)
• Tương tác protein-protein (Protein-protein interaction – PPI)
• …

 

Dữ liệu Bio-SAXS có thể được sử dụng để:[1][2][3][6]

• Cung cấp thông tin động lực học (dynamic), tính linh hoạt (flexibility) hay không cấu trúc (disorder) của protein
• Đánh giá tương tác protein-protein hay protein-ligand (bao gồm cả kháng nguyên-kháng thể)
• Xác định trạng thái oligomer hóa theo thời gian
• Nghiên cứu sự gấp nếp (folding) của protein (cấu trúc bậc 3, 4)
• Đánh giá độ ổn định & sự tự hình thành (self-assembly), sự tự liên kết (self-association) / sự kết dính (aggregation) của protein trong quá trình sản xuất
• Xác thực mô hình cũng như bổ sung thông tin cho các kỹ thuật độ phân giải cao khác như (Cryo-EM, Single Crystal-XRD, NMR,…)
• Đo lường sự thay đổi và sàng lọc mẫu trong điều kiện sinh lý (nhiệt độ-T, áp suất-p, pH, muối-salt, ligands,…)
• Kết hợp với mô hình sàng lọc thuốc ảo silico
• …

Một số ví dụ ứng dụng cụ thể:

1. Sách trắng – Ứng dụng kỹ thuật Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) trong nghiên cứu, phát triển và bào chế thuốc
2. Độ phân giải cấu trúc protein
3. Xác định một lượng lớn hình dạng 3D của protein
4. Các phép đo protein trong dung dịch pha loãng bằng SAXS
5. Sáng tỏ cấu trúc bậc bốn của PieE, một loại enzyme phức tạp liên quan đến tổng hợp kháng sinh
6. Điều tra kỹ các oligome trong quá trình kết thành các sợi protein nhỏ
7. Nghiên cứu các mẫu sinh học phức tạp với thí nghiệm SEC-SAXS
8. Đặc tính của protein tự liên kết
9. SAXS là một công cụ để mô tả các tương tác protein kháng nguyên – kháng thể đơn dòng
10. Đánh giá tương tác protein-protein – từ thử nghiệm in vivo đến ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm
11. Lựa chọn, phân tích đặc tính sinh-lý và cấu trúc kháng thể nano tổng hợp giúp vô hiệu hoá hiệu quả vi rút SARS-CoV-2
12. Cách một kỹ thuật sinh học cấu trúc đóng góp quan trọng vào việc phát triển vắc xin mRNA
13. Tia X có thể giúp test nhanh COVID-19 tin cậy và nhanh chóng hơn trở thành hiện thực như thế nào
14. Mô tả đặc tính thực phẩm chức năng ở kích cỡ nano bằng SAXS
15. Tán xạ tia X góc nhỏ giúp xác định đặc tính của liposome trong các ứng dụng dược phẩm
16. Tìm hiểu thực phẩm ở cấp độ phân tử bằng tia X để tạo ra Snack ngon hơn bao giờ hết trong tương lai
17. Vesicles
18. Microgels
19. …

Kết luận

SAXS là kỹ thuật có thiết lập đơn giản nhưng dữ liệu SAXS thu thập được có thể cung cấp một lượng thông tin cấu trúc có giá trị đáng ngạc nhiên về các phân tử sinh học giúp các nhà nghiên cứu không chỉ có thể biết trọng lượng và kích thước của một phân tử sinh học trong dung dịch mà còn có thể tái tạo lại hình dạng 3D cơ bản của nó, cho biết trạng thái linh hoạt (flexible) hay cứng nhắc (rigid) và thậm chí tìm ra cách nhiều phân tử kết hợp với nhau để tạo thành những cỗ máy phân tử phức tạp. Mà những tiến bộ trong nghiên cứu y học sẽ ngày càng phụ thuộc vào việc hiểu biết rõ ràng về cách các phân tử sinh học hoạt động và tương tác như thế nào trong tế bào sống [5]. Và SAXS là một trong số ít kỹ thuật có thể cung cấp thông tin cấu trúc, hình thái và tương tác giữa các phân tử sinh học hoạt động trong các điều kiện rất giống với tế bào sống hay trong điều kiện sản xuất một cách nhanh chóng, dẫn đến việc thúc đẩy các giai đoạn nghiên cứu, khám phá, tạo ra các loại thuốc và vaccine thế hệ mới hiệu quả và nhanh chóng hơn bao giờ hết [1][8].

#saxsinthelab

Hiện nay, SAXS không còn bị giới hạn ở các trung tâm Synchrotron nữa mà nhờ những tiến bộ của thiết bị được thực hiện trong hơn một thập kỷ qua đã giúp các thiết bị SAXS tân tiến và mạnh mẽ nhất với hiệu năng tương đương trở nên phổ biến và sẵn sàng có trong bất kỳ phòng thí nghiệm nào (#saxsinthelab). Các thiết bị SAXS này còn được kết hợp các giải pháp tự động hóa tiên tiến, thông lượng cao và chỉ cần một lượng mẫu rất nhỏ, để dành riêng cho nhu cầu nghiên cứu cấu trúc sinh học cho phát triển thuốc và vắc xin thế hệ mới.

 

Thiết bị tán xạ tia X góc nhỏ cho ngành dược phẩm – BioXolver

Một số ấn phẩm hay giới thiệu chi tiết kỹ thuật SAXS ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc sinh học:

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp

Nguồn tham khảo trong bài viết:

1. 1) Sách trắng – Ứng dụng kỹ thuật Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) trong nghiên cứu, phát triển và bào chế thuốc
2. 2) Methods, development and applications of small-angle X-ray scattering to characterize biological macromolecules in solution. Stefano Da Vela, Dmitri I. Svergun (2020). DOI: https://doi.org/10.1016/j.crstbi.2020.08.004
3. 3) A practical guide to small angle X-ray scattering (SAXS) of flexible and intrinsically disordered proteins. Kikhney, A.G. and Svergun, D.I (2015). FEBS Lett. 589(19A), 2570-2577 DOI: https://doi.org/10.1016/j.febslet.2015.08.027
4. 4) Small-angle X-ray and neutron scattering” is published online in Nature Reviews Methods Primers
5. 5) https://www.chess.cornell.edu/macchess/biosaxs/whatis_biosaxs
6. 6) https://www.chess.cornell.edu/macchess/biosaxs/whatcan_biosaxs
7. 7) Barbosa, L.R.S., Spinozzi, F., Mariani, P. and Itri, R. (2013). Small-Angle X-Ray Scattering Applied to Proteins in Solution. In Proteins in Solution and at Interfaces (eds J.M. Ruso and Á. Piñeiro). https://doi.org/10.1002/9781118523063.ch3
8. 8) https://www-ssrl.slac.stanford.edu/smb-saxs/content/what-biosaxs
9. 9) https://biosaxs.com/technique.html