Tảo phát sáng tiết lộ hình học của sự sống

Các nhà nghiên cứu đã nắm bắt được thông tin rõ ràng đầu tiên về một kiến trúc ẩn dấu có thể giúp định hình một sinh vật đa bào đơn giản. Qua đó chứng tỏ cách các tế bào hoạt động cùng nhau để xây dựng các hình thức của sự sống phức tạp.

Trong một nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), một nhóm nghiên cứu Anh và Đức đã tìm thấy cấu trúc của ma trận ngoại bào ở Volvox carteri, một dạng tảo xanh thường được sử dụng để nghiên cứu về các sinh vật đa bào tiến hóa từ những tổ tiên đơn bào.

Ma trận ngoại bào (ECM) là một vật liệu dạng khung bao quanh các tế bào, cung cấp hỗ trợ vật lý, ảnh hưởng đến hình dạng và đóng vai trò quan trọng trong phát triển và truyền tín hiệu. Được tìm thấy trên động vật, cây cối, nấm và tảo, nó cũng đóng vai trò sống còn trong sự chuyển đổi từ sự sống đơn bào sang đa bào.

Bởi vì ma trận ngoại bào tồn tại bên ngoài tế bào tạo ra nó, các nhà khoa học tin là nó hình thành thông qua quá trình tự tổ chức: một quá trình vẫn chưa được hiểu một cách đầy đủ, ngay cả trong những sinh vật đơn giản nhất.

Để tìm hiểu, các nhà nghiên cứu tại ĐH Bielefeld đã chỉnh sửa về mặt di truyền một chủng Volvox trong đó một protein ma trận ngoại bào chính tên là pherophorin II đã được nhuộm huỳnh quang để có thể quan sát được cấu trúc của ma trận dưới một kính hiển vi.

Những gì họ thấy là một mạng dưới dạng bọt đầy phức tạp gồm các ngăn tròn bao quanh mỗi soma trong số khoảng 2.000 tế bào soma của Volvox.

Hợp tác với các nhà toán học của ĐH Cambridge, nhóm nghiên cứu sử dụng máy học để định lượng hình học của các ngăn đó. Dữ liệu tiết lộ một ngẫu nhiên, hoặc mẫu hình tăng trưởng ảnh hưởng một cách ngẫu nhiđã, có chia sẻ sự tương đồng theo cách các bọt xốp nở ra khi ngậm nước.

Các hình dạng đó tuân theo một mẫu thống kê xuất hiện trong các vật chất như tinh bột và chất nhũ hóa và trong các mô sinh học. Các phát hiện cho thấy trong khi từng tế bào tạo ra các protein ma trận ngoại bào ở tỉ lệ không đồng nhất, toàn bộ cơ thể sinh vật vẫn còn lưu giữ dạng hình cầu đều đặn.

Đó là sự đồng tồn tại – giữa hành vi nhiễu tại cấp độ đơn tế bào và hình học chính xác tại cấp độ toàn cơ thể – làm dấy lên những câu hỏi mới về cách sự sống đa bào kiểm soát để xây dựng những hình dáng xác thực từ những phần còn chưa được xác thực.

“Kết quả của  chúng tôi đem lại thông tin định lượng liên quan đến câu hỏi cơ bản trong sinh học phát triển: các tế bào đã làm thế nào để tạo ra các cấu trúc bên ngoài chính mình theo một cách mạnh mẽ và chính xác?”, giáo sư Raymond E. Goldstein của Khoa Toán ứng dụng và vật lý lý thuyết Cambridge, đồng tác giả nghiên cứu nói. “Nó cũng chứng tỏ những kết quả thú vị mà chúng tôi có thể đạt được khi các nhà sinh học, vật lý và toán học làm việc cùng nhau để tìm hiểu những bí ẩn của sự sống.”

“Bằng việc dò theo một protein cấu trúc, chúng tôi đã có được cái nhìn sâu vào những nguyên lý đằng sau sự tự tổ chức của ma trận ngoại bào”, giáo sư Armin Hallmann từ ĐH Bielefeld và là đồng tác giả nghiên cứu, nói. “Hình học của nó trao cho chúng tôi một chỉ báo ý nghĩa về cách sinh vật đó phát triển trong quá trình tăng trưởng”.

Nghiên cứu này được thực hiện với postdoct Benjamin von der Heyde và TS. Eva Laura von der Heyde, Hallmann ở Bielefeld, nghiên cứu sinh Cambridge Anand Srinivasan, postdoct Sumit Kumar Birwa, TS. Steph Höhn và Goldstein, giáo sư Alan Turing về các hệ vật lý phức hợp ở Cambridge.

Dự án được Quỹ Wellcome và Quỹ John Templeton tài trợ.

Thanh Hương dịch từ ĐH Cambridge

Nguồn: https://www.cam.ac.uk/research/news/glowing-algae-reveal-the-geometry-of-life