Phương pháp mới giúp tìm hiểu hoạt động bên trong tế bào sống

Các tế bào sống thường bị ảnh hưởng bởi nhiều loại tín hiệu phân tử. Việc đo lường các tín hiệu và phản ứng của tế bào với chúng thông qua mạng tín hiệu phân tử xuôi dòng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của tế bào, bao gồm những gì xảy ra khi tế bào già đi hoặc nhiễm bệnh.

Hiện nay, người ta chưa thể làm được điều này vì các kỹ thuật chụp ảnh tế bào hiện tại chỉ giới hạn ở một số loại phân tử khác nhau trong tế bào cùng một lúc. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu ở MIT đã phát triển một phương pháp mới có thể giúp họ quan sát đồng thời bảy phân tử khác nhau, và có thể mở rộng hơn nữa. Họ đã công bố kết quả này trên tạp chí Cell. 

Phương pháp mới sử dụng các phân tử huỳnh quang màu xanh lục hoặc đỏ nhấp nháy ở các tốc độ khác nhau. Bằng cách chụp ảnh một tế bào trong vài giây, vài phút hoặc vài giờ, sau đó dùng thuật toán để trích xuất từng tín hiệu huỳnh quang, các nhà khoa học có thể theo dõi số lượng protein mục tiêu thay đổi theo thời gian. 

Từ những năm 1990, người ta đã sử dụng protein huỳnh quang màu xanh lục (GFP) để dán nhãn và tìm hiểu chức năng của các phân tử bên trong tế bào. Kể từ đó, một số protein huỳnh quang phát sáng với các màu sắc khác đã được phát triển để sử dụng trong các thí nghiệm.

Tuy nhiên, kính hiển vi quang học thông thường chỉ có thể phân biệt được hai hoặc ba màu, nên các nhà nghiên cứu chỉ có thể nhìn thoáng qua tổng thể hoạt động bên trong tế bào. Nếu có thể theo dõi nhiều phân tử được dán nhãn hơn, các nhà nghiên cứu có thể đo lường phản ứng của tế bào não với các chất dẫn truyền thần kinh khác nhau hoặc tìm hiểu các tín hiệu khiến tế bào ung thư di căn.

Vào năm 2020, Edward Boyden, giáo sư về kỹ thuật sinh học và khoa học não bộ và nhận thức tại MIT cùng các cộng sự đã phát triển một phương pháp chụp ảnh đồng thời năm phân tử khác nhau trong tế bào, bằng cách nhắm mục tiêu các protein tín hiệu phát sáng đến các vị trí riêng biệt trong tế bào. Phương pháp này được gọi là “ghép kênh không gian”, cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt tín hiệu của các phân tử khác nhau dù tất cả chúng phát ra ánh sáng huỳnh quang cùng màu.

Phương pháp mới dựa trên một cách tiếp cận khác: Thay vì phân biệt các tín hiệu dựa trên vị trí của chúng, các nhà nghiên cứu tạo ra các tín hiệu huỳnh quang thay đổi theo thời gian. Kỹ thuật này dựa vào các protein huỳnh quang có thể bật tắt ở một tốc độ cụ thể. Nhóm nghiên cứu của Boyden đã xác định được bốn loại protein huỳnh quang bật tắt màu xanh lục và hai loại màu đỏ, sau đó thiết kế thêm hai loại màu xanh lục và một loại màu đỏ, tất cả đều bật tắt ở các tốc độ khác nhau. 

Các protein huỳnh quang này được dùng để dán nhãn các loại phân tử khác nhau trong tế bào sống, chẳng hạn như enzyme, protein truyền tín hiệu hoặc một phần của khung xương tế bào. Sau khi chụp ảnh tế bào trong vài phút, vài giờ hoặc thậm chí vài ngày, các nhà nghiên cứu sử dụng thuật toán để chọn ra tín hiệu cụ thể từ mỗi chất phát huỳnh quang, tương tự như cách tai người có thể chọn ra các tần số âm thanh khác nhau.

Kỹ thuật toán học mà các nhà nghiên cứu sử dụng để phân tích tín hiệu huỳnh quang được gọi là phân lớp tuyến tính. Sau khi hoàn thành quá trình phân tích, các nhà nghiên cứu có thể xác định thời điểm và vị trí của từng phân tử (được dán nhãn huỳnh quang) trong tế bào trong quá trình chụp ảnh. 

Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này có thể giúp họ quan sát phản ứng của các tế bào với các loại đầu vào như chất dinh dưỡng, các yếu tố thuộc hệ thống miễn dịch, hormone hoặc chất dẫn truyền thần kinh. Ngoài ra, người ta có thể ứng dụng phương pháp này trong nghiên cứu phản ứng của tế bào với những thay đổi trong biểu hiện gene hoặc đột biến gene. Tất cả những yếu tố này đều đóng vai trò quan trọng trong các hiện tượng sinh học như tăng trưởng, lão hóa, ung thư, thoái hóa thần kinh và hình thành trí nhớ. □

Thanh An lược dịch

Nguồn: https://news.mit.edu/2023/new-method-fluorescent-labels-living-cell-1128