Các hình mẫu sinh học trong tự nhiên xuất phát từ đâu?

Sọc ngựa vằn, vòng xoắn vỏ động vật biển, cánh bướm: đây là tất cả những ví dụ về mẫu hình trong tự nhiên. Sự hình thành mẫu hình là một câu đố với cả nhà toán học lẫn sinh vật học. Làm cách nào họa tiết tinh tế của đôi cánh bướm xuất hiện từ một trứng thụ tinh duy nhất? Làm cách nào mẫu hình xuất phát từ không mẫu nào cả?

Sử dụng mô hình máy tính và tế bào sống, các nhà nghiên cứu tại ĐH Johns Hopkins đã khám phá ra một mẫu hình nhất định có thể định hướng sự di chuyển tế bào và giúp chúng ta hiểu được những tế bào ung thư di căn di chuyển như thế nào.

Theo Tiến sĩ Denise Montell, giảng viên hóa sinh tại ĐH Hopkins: “Hình thành mẫu hình là một vấn đề kinh điển của ngành phôi học. Ở một điểm nào đó, các tế bào trong phôi phải tách thành những tế bào phát triển thành tế bào tim, gan, máu, v.v. Mặc dù điều này đã được nghiên cứu trong nhiều năm, vẫn còn nhiều thứ chúng ta không hiểu.”

Một ví dụ của việc hình thành mẫu hình, các nhà nghiên cứu khảo sát cách mà 6 tế bào trong ruồi giấm tự tách chúng ra khỏi những tế bào lân cận và di chuyển từ một vị trí trong buồng trứng sang một vị trí khác trong quá trình phát triển trứng. “Để quá trình di cư tế bào này diễn ra, bạn phải có những tế bào ra đi và những tế bào ở lại. Phải có một sự phân biệt rõ ràng – sự tách biệt giữa các loại tế bào mà trên bề mặt thì giống hệt nhau.”

Công trình trước đó xác định một tín hiệu cụ thể cần thiết cho việc di chuyển các tế bào trứng, vấn đề là tín hiệu này được “chọn lọc”. Giống như mực rơi trên giấy ướt, tín hiệu di chuyển giữa các tế bào vây quanh, dần dần tắt đi khi nó di chuyển ra bên ngoài. Nhưng mẫu hình lại đòi hỏi ranh giới rõ ràng – không có vùng xám giữa các sọc đen và trắng của một chú ngựa vằn, giữa các tế bào gan và tim và, trong trường hợp này, giữa tế bào di cư và tế bào ở lại.

(Ảnh: iStockphoto/Ismael Montero Verdu)

Làm thế nào những tín hiệu chọn lọc được chuyển thành một tín hiệu di chuyển hay ở lại rõ ràng? Bằng cách kiểm tra ruồi có biến thể ở những gien khác nhau, các nhà khoa học phát hiện rằng một gien đặc biệt, gọi là apontic, rất quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu chọn lọc.

Theo tiến sĩ Michelle Starz-Gaiano, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong ngành hóa sinh: “Khi gien apontic bị biến thể, sự khác biệt giữa tế bào di cư và không di cư bị mờ nhạt. Trong những biến thể đó, chúng tôi chứng kiến rất nhiều trường hợp mà tế bào di cư không tách một cách chính xác khỏi những tế bào lân cận nhưng thay vào đó trôi nổi khi chúng di chuyển đi.” Điều này cho thấy chỉ tín hiệu chọn lọc không đủ để khởi động một số lượng chính xác các tế bào, nhưng thay vào đó cần sự giúp đỡ từ apontic.

Một khi nhóm phát hiện ra apontic quan trọng trong việc khiến các tế bào này di chuyển, họ bắt đầu hình dung ra apontic hoạt động như thế nào. Phối hợp với nhà toán học, Tiến sĩ Hans Meinhardt, giảng viên danh dự tại Viện Max Planck, Đức, họ thiết kế ra một mô hình máy tính có thể mô phỏng lại cách các tín hiệu chọn lọc được chuyển đổi thành lệnh cho các tế bào ở hay di chuyển.

Bằng cách đặt ra những giả thiết về mỗi gien và phân phối chức năng cho từng protein, nhóm xây dựng nên một loại mạch đơn giản có thể dự đoán được hành động của một tế bào dựa trên tín hiệu chọn lọc, apontic và một loại protein khám phá trước đó là slbo. Mô hình máy tính cho thấy trong tế bào, tín hiệu chọn lọc kích hoạt cả apontic và slbo. Nhưng apontic và slbo hoạt động chống lại nhau và đấu tranh lẫn nhau: khi một bên giành được lợi thế thì bên kia yếu đi, và chính thế giúp cho bên mạnh lại càng mạnh hơn. Điều này diễn ra cho đến khi một protein chiếm lĩnh một tế bào. Nếu slbo thắng, tế bào di chuyển và nếu apontic thắng, tế bào ở lại; vì vậy sự tách biệt rõ ràng giữa đi và ở được hình thành.

Montell cho biết “Đây không chỉ là một giải pháp mới cho vấn đề làm cách nào tạo ra được mẫu hình từ không mẫu nào cả, mà chúng tôi còn khám phá ra apontic là một chất điều phối sự di cư tế bào mới.”

Di cư tế bào có thể hàm chứa sự lây lan của các tế bào ung thư từ một khối u gốc sang những phần khác của cơ thể. Hiểu được và từ đó có thể điều khiển đường đi của di cư tế bào có thể ngăn ngừa sự phát triển những khối u mới.

"Đến giai đoạn này, nó thiên về việc hiểu được đâu là các chất điều phối di cư tế bào tích cực và tiêu cực.”

Công trình này được Cộng đồng Ung thư Mỹ và Viện nghiên cứu sức khỏe tài trợ.