“Nhìn thấy” từng tế bào bằng âm thanh

Ngay cả khi bạn là một nhà nghiên cứu thì việc nhìn cách một vài tế bào trong một nội quan hành xử như thế nào cũng không phải là điều đơn giản. Cơ thể con người chứa xấp xỉ 37 nghìn tỉ tế bào; một con ruồi giấm thường bay lượn quanh những quả chuối chín nẫu trên kệ bếp của bạn cũng có khoảng 50.000 tế bào. Thậm chí Caenorhabditis elegans, một con sâu bé tí thường dùng trong nghiên cứu về sinh học cũng có thể có 3.000 tế bào. Vậy bằng cách nào bạn có thể theo dõi một vài điểm nhỏ trên toàn bộ chỗ tế bào đó?

Các nhà khoa học đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Caltech của Mikhail G. Shapiro, giáo sư kỹ thuật hóa học của Viện nghiên cứu y khoa, đã tìm ra một cách.

Kỹ thuật mới có thể sử dụng để nghiên cứu về các gene báo âm (acoustic reporter genes) mà chính Shapiro là người phát triển tiên phong. Để hiểu về các gene báo âm, đầu tiên phải biết các loại gene báo là một mảnh DNA đặc biệt mà các nhà nghiên cứu có thể gắn vào hệ gene của một nội quan để giúp chúng hiểu điều gì đang diễn ra. Về mặt lịch sử thì các gene báo đã được mã hóa các protein phát xạ huỳnh quang. Ví dụ, nếu các nhà nghiên cứu gắn một trong số các gene báo đó vào một gene mà họ muốn nghiên cứu như muốn gene đó phản hồi với sự phát triển của các neuron thần kinh – hoạt động của các gene neuron sẽ tạo ra các phân tử protein phát huỳnh quang. Khi các loại ánh sáng phù hợp chiếu vào các tế bào này, chúng sẽ phát sáng, giống như cách một cái bút đánh dấu có thể điểm vào một đoạn cụ thể trong một cuốn sách.

Những gene báo huỳnh quang này có một bất lợi lớn: ánh sáng không xuyên qua được các mô sống.

Mikhail G. Shapiro, giáo sư kỹ thuật hóa học.

Vì vậy, Shapiro đã phát triển các gene báo sử dụng âm thanh thay vì ánh sáng. Các gene đó, khi được gắn vào một hệ gene của tế bào, tạo ra những cấu trúc protein rỗng cực nhỏ mà người ta vẫn gọi là các túi khí. Thông thường chúng vẫn có ở nhiều loài vi khuẩn và được sử dụng để trôi nổi trên mặt nước, tuy nhiên chúng phải có đặc tính hữu dụng của “tiếng chuông reo” khi va đập với sóng hạ âm.

Khi các túi khí do một một tế bào tạo ra phản xạ với hạ âm, nó sẽ gửi đi một tín hiệu âm thanh loan báo sự hiện diện của nó, cho phép các nhà nghiên cứu thấy ‘sự kiện’ diễn ra ở nơi nào. Kỹ thuật này đã được sử dụng để tìm họat động của các enzyme trong tế bào trong nghiên cứu trước ở phòng thí nghiệm của Shapiro.

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã miêu tả cách gia tăng độ nhạy của kỹ thuật lên rất nhiều và giờ có thể chụp được ảnh một tế bào nằm ở bên trong các mô của cơ thể, mang gene báo âm thanh. “Khi so sánh với công trình trước về túi khí, bài báo này cho phép chúng tôi thấy các đại lượng nhỏ hơn của các túi khí đó”, Daniel Sawyer, một nghiên cứu sinh, tác giả thứ nhất của nghiên cứu và là cựu học trò về kỹ thuật sinh học trong phòng thí nghiệm của Shapiro, nói. “Nó giống như kiểu đi từ việc một vệ tinh có thể nhìn thấy ánh sáng của một ngôi làng nhỏ đến việc từ một vệ tinh có thể thấy ánh sáng từ một ngọn đèn bưu điện”.

Những cái thiện về kỹ thuật mà họ nêu trong công bố đem lại sự gia tăng về độ nhạy hơn 1000 lần so với kỹ thuật trước đây mà họ dùng để chụp ảnh tế bào mang các gene báo âm. Sự khác biệt này nằm ở hạ âm mà họ sử dụng và cách các túi khí phản hồi.

Những kỹ thuật trước đây phản hồi lên các tiếng phát của túi khí giống như một cái chuông bị gõ, kỹ thuật mới sử dụng hạ âm mạnh hơn làm “nổ” các túi khí như một quả cầu. “Các túi khí này tạo ra tín hiệu cực mạnh vào khoảnh khắc đó”, Shapiro nói. “Sau đó các túi khí vỡ ra và dừng đánh dấu một tín hiệu. Chúng tôi đang trông chờ một tiếng bíp nhỏ, một điểm nhạy quang”.

Rõ ràng là các nhà nghiên cứu có thể dò được tác động này, ngay cả khi nó được tạo ra giữa mọi nhiễu nền tạo ra bằng việc hạ âm xuyên qua các mô. Shapiro cho rằng công trình nghiên cứu về các chủng của vi khuẩn có khả năng tấn công tế bào ung thư, hoặc các vi khuẩn làm tổ trong các khối u, đem lại một cách tốt hơn để dò theo các tế bào và xem nó làm tổ nơi nào trong cơ thể. Các nhà nghiên cứu cho thấy khi các vi khuẩn được điều chỉnh để mang các gene chứa túi khí sẽ có thể phản hồi đường đi của các vi khuẩn trong tế bào khi chúng xâm nhập từ đường máu và di chuyển trong gan.

Sawyer nói độ nhạy này là cần thiết nếu các nhà nghiên cứu sử dụng hạ âm để tìm hiểu về thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột bởi khi bị đứt vỡ, nó có thể ảnh hưởng đến những điều kiện dẫn đến bệnh như bệnh Alzheimer và tự kỷ. “Có nhiều loài vi khuẩn trong ruột của bạn, một số rất hiếm đến mức bạn cần một công cụ đủ nhạy chỉ để nhìn sâu vào chúng”, ông nói.

Vậy tiếng phát ra từ các túi khí bên trong tế bào có ảnh hưởng đến tế bào không? Ồ, không hề.

“Câu trả lời ngắn gọn là không, còn câu trả lời dài là không trong phần lớn trường hợp”, Sawyer trả lời. “Có một số trường hợp nơi các tế bào đơn lẻ của vi khuẩn rất nhỏ và có một lượng rất lớn túi khí thì có ảnh hưởng thật, nhưng nó không làm nên khác biệt với cả quần thể vi khuẩn. Và trong tế bào của động vật có vú thì chúng tôi không thấy có ảnh hưởng tiêu cực nào”.

Shapiro và Sawyer đang theo đuổi hai nhánh khác trong nghiên cứu tiếp theo: một nhánh sẽ thực hiện trên những gì mà các nhà nghiên cứu mới phát triển để tạo ra nhiều kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, nó sẽ bao gồm kỹ thuật và thử nghiệm những những dạng mới của túi khí và có những đặc tính khác biệt như các túi có thể ‘nổ’ dễ dàng hơn hoặc túi khí mạnh hơn, hoặc túi khí nhỏ hơn có thể vừa vặn với mọi chỗ mà túi khí lớn hơn không thể. Nhánh còn lại là tìm những ứng dụng cụ thể cho công nghệ mà họ đã phát triển, Sawyer nói.

“Trong lĩnh vực kính hiển vi, đó là sự đồng tiến hóa của quang học và phương pháp trên kính hiển vi với những kỹ thuật như kính hiển vi hai photon và kính hiển vi ánh sáng phẳng [cả hai đều là các dạng kính hiển vi huỳnh quang]”, Shapiro nói. “Bài báo của Danny là một phần trong sự phát triển của tương tự hạ âm của các kỹ thuật hình ảnh”.

Chi tiết của quá trình này đã được xuất bản trên Nature Methods “Ultrasensitive ultrasound imaging of gene expression with signal unmixing” (Hình ảnh hạ âm siêu nhạy của biểu hiện gene với phân lớp tín hiệu) ¹.

Thanh Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-08-cells.html

https://topmostpopular.com/seeing-single-cells-with-sound/

———————

1. https://www.nature.com/articles/s41592-021-01229-w