Tế bào như những bộ vi xử lý thông minh
Tác giả chính của nghiên cứu Xiaoyu Yang chia sẻ, hãy tưởng tượng những bộ vi xử lý nhỏ bé bên trong tế bào được cấu tạo từ protein, có khả năng quyết định cách phản ứng trước các tín hiệu cụ thể như viêm nhiễm, dấu hiệu tăng trưởng khối u, hoặc mức đường huyết. Công trình này đưa chúng ta đến gần hơn với việc xây dựng các “tế bào thông minh” có thể phát hiện dấu hiệu bệnh và ngay lập tức giải phóng các liệu pháp điều trị tùy chỉnh.
Tác giả chính của nghiên cứu Xiaoyu Yang tại phòng thí nghiệm (nguồn: Rice University).
Phương pháp mới dựa trên quá trình phosphoryl hóa - một cơ chế tự nhiên mà tế bào sử dụng để phản ứng với môi trường, thông qua việc thêm một nhóm phosphate vào protein. Phosphoryl hóa đóng vai trò quan trọng trong hàng loạt chức năng tế bào, từ việc chuyển đổi tín hiệu ngoại bào thành phản ứng nội bào, đến việc di chuyển, tiết chất, phản ứng với mầm bệnh hoặc biểu hiện gen.
Đổi mới cách tiếp cận phosphoryl hóa trong liệu pháp điều trị
Trong các sinh vật đa bào, các tín hiệu dựa trên phosphoryl hóa thường diễn ra qua một chuỗi các phản ứng dây chuyền, giống như hiệu ứng domino. Tuy nhiên, việc tận dụng cơ chế này cho mục đích trị liệu trong tế bào người vẫn là một thách thức lớn, vì các con đường tín hiệu tự nhiên quá phức tạp để tái thiết kế. Phosphoryl hóa là một quá trình tuần tự, diễn ra dưới dạng các chu kỳ kết nối với nhau, dẫn từ đầu vào của tế bào (những tín hiệu mà tế bào phát hiện được từ môi trường) đến đầu ra của tế bào (cách tế bào phản ứng). Nhóm nghiên cứu đã nhận ra rằng, mỗi chu kỳ trong một phản ứng dây chuyền có thể được coi là một đơn vị cơ bản và các đơn vị này có thể được kết nối theo những cách mới để tạo ra các con đường tín hiệu hoàn toàn khác, liên kết đầu vào và đầu ra của tế bào.
PGS.TS Caleb Bashor - đồng tác giả chính của nghiên cứu cho biết, điều này mở ra không gian thiết kế mạch tín hiệu theo những cách mà trước đây chưa từng nghĩ đến. Nhờ chiến lược thiết kế này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các mạch phosphoryl hóa nhân tạo có thể điều chỉnh linh hoạt và hoạt động song song với các quá trình tự nhiên của tế bào mà không ảnh hưởng đến sự sống và tốc độ phát triển của chúng.
Mặc dù ý tưởng này nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc tìm ra quy tắc để xây dựng, kết nối và điều chỉnh các đơn vị, bao gồm cả thiết kế đầu ra nội và ngoại bào là một thử thách lớn. Việc các mạch nhân tạo có thể được xây dựng và hoạt động hiệu quả trong tế bào sống là điều không hề hiển nhiên. Nhóm nghiên cứu chia sẻ, họ bất ngờ khi thấy các mạch tín hiệu nhân tạo, vốn được cấu tạo hoàn toàn từ các phần protein được thiết kế, có thể đạt được tốc độ và hiệu quả như các con đường tín hiệu tự nhiên trong tế bào người.
Một biên giới mới cho sinh học tổng hợp
Một lợi thế lớn khác của cách tiếp cận mới trong thiết kế mạch tín hiệu tế bào này là quá trình phosphoryl hóa xảy ra cực nhanh, chỉ trong vài giây hoặc vài phút. Điều này đồng nghĩa với việc các mạch tín hiệu phosphoryl hóa nhân tạo có thể được lập trình để phản ứng với các sự kiện sinh lý trong khoảng thời gian tương tự. Ngược lại, nhiều thiết kế mạch nhân tạo trước đây dựa trên các quá trình phân tử khác như phiên mã, thường mất nhiều giờ để kích hoạt.
Những “tế bào thông minh” có thể phát hiện dấu hiệu bệnh và ngay lập tức giải phóng các liệu pháp điều trị tùy chỉnh (nguồn: internet).
Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm độ nhạy và khả năng phản ứng của các mạch tín hiệu trước các tín hiệu bên ngoài như các yếu tố gây viêm. Để chứng minh tiềm năng ứng dụng, họ đã thiết kế một mạch tế bào có thể phát hiện các yếu tố này, từ đó kiểm soát các đợt bùng phát bệnh tự miễn và giảm độc tính liên quan đến liệu pháp miễn dịch. Theo PGS.TS Caleb Bashor, nghiên cứu đã chứng minh được rằng, có thể xây dựng các mạch tín hiệu trong tế bào người có khả năng phản ứng nhanh và chính xác với các tín hiệu.
TS Caroline Ajo-Franklin - Giám đốc Viện Sinh học tổng hợp, Đại học Rice nhấn mạnh, nghiên cứu này là một ví dụ điển hình cho những công trình mang tính đột phá mà các nhà khoa học tại trường đang thực hiện. Theo bà, nếu trong 20 năm qua, các nhà sinh học tổng hợp đã học cách điều chỉnh cách vi khuẩn phản ứng từ từ với các tín hiệu môi trường, thì công trình nghiên cứu này đã đưa chúng ta đến một biên giới mới - kiểm soát phản ứng tức thì của tế bào động vật có vú trước sự thay đổi.
Nghiên cứu này không chỉ là một bước tiến trong việc thiết kế các tế bào thông minh, mà còn mở ra tiềm năng to lớn cho các ứng dụng y tế hiện đại, từ điều trị ung thư đến các bệnh tự miễn. Nhờ cách tiếp cận sáng tạo và khả năng ứng dụng rộng rãi, phát hiện của nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Rice có thể thay đổi cách chúng ta hiểu và điều trị các bệnh lý phức tạp.
Xuân Bình (theo Rice University)