Tế bào chuột mã hóa gen được điều khiển bằng ánh sáng

Các chuyên gia thuộc trường đại học California tại San Francisco đã làm cho các tế bào mã hóa gen ở chuột phản ứng theo ánh sáng, tạo ra các tế bào biết tuân theo tín hiệu của một luồng sáng hoặc dừng lại theo mệnh lệnh, giống như những chú rôbot siêu nhỏ.

Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể đưa ánh sáng điều khiển bật – tắt từ thực vật vào một tế bào của cơ thể động vật có vú để điều khiển các chức năng khác nhau của tế bào. Từ đây, họ có một công cụ mới hữu hiệu trong các nghiên cứu về ung thư và tim mạch, cũng như khả năng điều khiển cơ bản các quá trình phức tạp ví dụ như sự phát triển của dây thần kinh.

Các kết quả xuất hiện trên tờ Nature trực tuyến số ra ngày 13 tháng 9 vừa qua. Chi tiết cũng được trình bày cùng một công trình nghiên cứu tương tự do tiến sĩ Klaus Hahn – giảng viên đại học Bắc Carolina tại Chapel Hill - tiến hành.

Hai công trình nói trên là những nghiên cứu đầu tiên chứng minh rằng công nghệ điều khiển thực vật bằng ánh sáng có thể được áp dụng vào tế bào của động vật có vú để điều khiển các quá trình phức tạp. Các tác giả cho biết, nghiên cứu của trường đại học California tại San

Francisco là độc nhất vô nhị trong việc phát triển một “công tắc”, dựa trên sự lấy thêm protein, điều khiển các quá trình thay đổi ở nhiều loại tế bào và cơ quan.

Tiến sĩ Wendell Lim, một trong ba tác giả cấp cao của bài thuyết trình cho biết, kết quả này có thể mang lại rất nhiều ứng dụng trị liệu, ví dụ như khả năng chỉ dẫn cho các tế bào thần kinh tái kết nối dọc theo đường xương sống bị gãy trong chấn thương tủy sống.

Gần hơn, kết quả nghiên cứu còn đem lại hướng tiếp cận mới đối với việc nghiên cứu các quá trình điều tiết liên quan tới bệnh ung thư và sưng viêm, ông nói.

Lim, giảng viên khoa Dược lý Phân tử và Tế bào, đại học California tại San Francisco, phát biểu: “Đây là một công cụ đắc lực trong nghiên cứu ung thư và sinh học tế bào. Nếu bạn có một công tắc có thể áp dụng cho các chức năng khác nhau của tế bào, thì chỉ với một tia sáng đơn giản, bạn sẽ có khả năng điều khiển khi nào và ở đâu một tế bào được phép di chuyển, và sau đó được phép làm gì khi nó đã đến một địa điểm cụ thể.”

Lim giải thích, nhiều quá trình tế bào bị chi phối bởi việc protein xuất hiện khi nào và ở đâu bên trong tế bào. Khi những quá trình này căn cứ trên một hệ thống tín hiệu phức tạp, ví dụ trong các bệnh như ung thư, thì một công tắc bật – tắt như thế này tỏ ra rất hữu ích.

Hình trên cho thấy ba thời điểm khác nhau của một thử nghiệm, trong đó một tia laser đỏ tập trung vào vùng ngoại vi của một nguyên bào sợi, khiến cho tế bào này phát triển ra phía ngoài, hướng về điểm được chiếu sáng thông qua hệ thống điều khiển từ xa phytochrome. Vị trí tia laser được di chuyển chậm rãi ra phía ngoài khi điểm nhô ra vượt quá giới hạn mặt ngoài của tế bào 30 micromet tính từ thân tế bào. (Ảnh: © Đại học California tại San Francisco)

Nghiên cứu được tiến hành bởi Anselm Levskaya, một nghiên cứu sinh làm việc cho cả phòng thí nghiệm của Lim và phòng thí nghiệm của tiến sĩ Chris Voigt, nhà sinh học tổng hợp, giảng viên khoa hóa dược tại trường Dược đại học California tại San Francisco, người đồng thời là một trong ba tác giả cấp cao của bài thuyết trình.

Ban đầu Levskaya tìm kiếm các protein ở thực vật có khả năng đóng vai trò như những phần tử nhạy sáng. Người ta đã biết rằng thực vật được phụ thuộc rất nhiều vào các phytochrome – những protein truyền tín hiệu nhạy sáng – trong việc điều khiển nhiều quá trình khác nhau, ví dụ như sự phát triển hướng về phía mặt trời hay sự nảy mầm của hạt.

Ông đề xuất rằng những phytochrome có thể được sắp đặt vào các tế bào động vật có vú nhờ công cụ gen và gắn với một chức năng cụ thể mà trong trường hợp này là chuyển động của tế bào.

Levskaya tìm thấy một cặp protein tương tác ở thực vật, gọi là tương tác PhyB-PIF, có thể được điều khiển bật – tắt giống như một công tắc, và từ đó đưa hệ thống truyền tín hiệu này vào các tế bào. Tế bào chịu tác động có thể được kéo bởi một tia ánh sáng đỏ nhạt bên ngoài, hoặc bị đẩy bởi một tia hồng ngoại bên ngoài.

“Chúng tôi có thể sử dụng phần tử nhạy sáng tương tự để lên chương trình cho các tế bào vi khuẩn và men bia tuân theo một chuỗi các lệnh đặt sẵn,” Voigt nói. “Điều đáng lưu ý ở đây là khả năng thực hiện điều này trong các tế bào động vật có vú, và tìm ra một phương pháp tắt chúng đi sau khi chúng đã thực hiện xong chức năng mà con người lựa chọn.”

Voigt cho rằng chiều ngược lại trong công trình của Levskaya là rất có ý nghĩa. Trong khi rất nhiều phương pháp chỉ tập trung vào việc phá vỡ các đường tế bào, hầu hết đều khá đơn giản và chỉ hoạt động theo một hướng: chúng chấm dứt một quá trình, ngăn cản hai protein tương tác nhau, nhưng chúng chỉ làm được một việc thuận chiều như vậy. Ngược lại, hướng tiếp cận này cho phép các nhà nghiên cứu điều khiển chính xác khi nào thì tác động diễn ra, diễn ra trong bao lâu, và sau đó dừng lại theo ý muốn của chúng ta.

Công trình ghi nhận sự hợp tác giữa ba phòng thí nghiệm của đại học California tại San Francisco: phòng thí nghiệm của Voigt với việc sử dụng sinh học tổng hợp để tạo ra các công tắc ánh sáng và phần tử nhạy sáng ở vi khuẩn; phòng thí nghiệm của Lim với vai trò nghiên cứu bằng cách nào mà các hệ thống protein truyền tín hiệu phức tạp có thể làm cho tế bào di chuyển, phát triển và phân tách; phòng thí nghiệm của tiến sĩ Orion Weiner với vai trò nghiên cứu sự di chuyển của tế bào.

Cả ba phòng thí nghiệm đều liên kết với Trung tâm Phát triển Y học Nano của Viện nghiên cứu Sức khỏe Quốc gia đặt tại trường đại học California, San Francisco. Mục tiêu của trung tâm này là xây dựng các tế bào thông minh được lên chương trình để tiến hành các chức năng trị liệu mới trong y học ung thư và phục hồi. Các phòng thí nghiệm nói trên cũng liên kết với Viện Sinh học Định lượng California (QB3) đặt tại trường đại học California, San Francisco.