Chúng ta có thể tạo ra xe hơi, vậy tại sao chúng ta không thể tạo ra tế bào?

Hãy giả sử rằng, bạn không biết gì về xe hơi, nên bạn muốn biết chúng hoạt động ra sao. Tình cờ bạn có một người bạn là thợ sửa xe ôtô vì vậy bạn nhờ anh ấy giải thích về xe hơi cho bạn hiểu.

Chúng khởi động bằng cách nào? Làm cách nào xăng cháy lại làm cho động cơ chuyển động? làm thế nào lực được tạo ra bằng động cơ chuyển sang các bánh lái? Hãy tưởng tưởng rằng để trả lời cho câu trả lời của bạn, người bạn chở bạn đến một cửa hàng phụ tùng ôtô và bắt đầu giải thích cho bạn biết từng cái một là gì. Và tới cuối bài học nhỏ này, người bạn cho bạn xem từng chiếc phụ tùng lắp trong xe hơi và giải thích các chức năng của chúng. Vậy lúc đó bạn có biết một chiếc xe hơi hoạt động ra sao không?

Ah, dĩ nhiên là không. Thậm chí khi bạn có thể nói lại từng bộ phận làm gì nhưng bạn vẫn có thể hiểu biết ít về làm thế nào các bộ phận liên kết cùng với nhau để khiến xe chạy. Hãy thử một trường hợp gay cấn hơn: bạn đang dạy một lớp toàn là những kỹ sư ôtô tham vọng, và bạn muốn dạy họ làm thế nào để chế tạo xe hơi. Bạn có dạy họ chỉ bằng cách giảng qua hết tất cả các bộ phận xe hơi từng cái một? hay bạn có thể gom tất cả chúng lại vào cuối giờ học và chỉ cho họ một số biểu đồ các bộ phận được rắp láp cùng với nhau: khung gầm, hệ thống điện, hệ thống truyền lực.

Nhưng thậm chí với các biểu đồ này, những kỹ sư tương lai này vẫn không thể đến làm việc cho Mercedes và tạo ra động cơ kế tiếp tiên tiến nhất. Danh sách và biểu đồ các bộ phận không đủ; như một người kỹ sư nói với bạn, bạn cần có định lượng, bạn cần phải hiểu toán và vật lý, và bạn cần có thể tạo ra các động cơ mô hình trên máy vi tính, những mô hình mà sau đó bạn có thể kiểm tra bằng hệ thống máy tính mà không cần phải cố gắng xây dựng thật sự bất cứ ý tưởng mới nào cho một động cơ.

Theo nhiều cách, thì các nhà sinh học phân tử cũng giống như một lớp học các kỹ sư ôtô vậy. Chúng ta có các danh sách rất dài và giải thích rõ các thành phần tế bào và chúng ra có rất nhiều biểu đồ về cách các thành phần này hợp lại với nhau, nhưng chúng ta không hiểu một tế bào theo cách giống như một kỹ sư xe Audi hiểu một động cơ xe hơi.

Các nhà sinh học cố gắng thay đổi điều đó và nỗ lực của họ là một phần lĩnh vực mới lạ mà hầu hết mọi người chưa bao giờ nghe đến, được biết đến với tên sinh học hệ thống (systems biology). Mặc dù sinh học hệ thống vẫn chưa chứng minh được nó có sức mạnh, nhưng Trường Y Khoa của Đại Học Harvard đã rất tự tin vào tiềm năng của lĩnh vực này đến nỗi trường đã thành lập Khoa Sinh Học Hệ Thống, một khoa hoàn toàn mới đầu tiên trong vòng 20 năm qua, và các nhà xuất bản tạp chí Nature đã cho in ấn tạp chí sinh học hệ thống.

Vậy, lĩnh vực này hoạt động ra sao?

Phòng Thí Nghiệm Cold Spring Harbor là quê hương của sinh học phân tử. Rất nhiều nhà sinh học phân tử vĩ đại của thể kỷ 20 đã đến phòng thí nghiệm này để làm việc hoặc tham dự các cuộc họp, và các bức tường của toà nhà phòng thí nghiệm treo đầy các vật dụng tranh ảnh sinh học phân tử lịch sử, trong đó có một cây đàn ghita được hàng tá các nhà sinh học về bộ gen hàng đầu ký vào và một bức chân dung khổng lồ của James Watson.

Trong một ngày cuối tuần mùa xuân lạnh giá gần đây ở New York, khoảng 300 nhà khoa học quan tâm đến sinh học hệ thống đã tụ họp ở Cold Spring Harbor để thảo luận. Để có ý tưởng về các vấn đề mà cộng đồng khoa học này đang đối mặt, hãy xem qua môt trong những tế bào được biết rõ nhất: men bia. Men có khoảng 6000 gen, và chúng ta biết về 75% của những gen đó có chức năng gì - bạn có thể chọn ra gen men bia yêu thích của mình, vào cơ sở dữ liệu và đọc xem gen đó làm gì trong tế bào men.

Tiến sĩ Robert Waterson (Ảnh: washington)

Trong một vài năm nữa, chúng ta sẽ biết được 99.9% các gen men bia có chức năng gì. Nhưng liệu sau đó chúng ta có thật sự hiểu được thậm chí một sinh vật đơn giản như men không? Các tế bào men sản sinh theo một quá trình rất giống với cách mà tế bào của con người phân chia và kết quả là chúng ta biết được rất nhiều sinh học cơ bản có liên quan đến các bệnh của con người như ung thư bằng cách nghiên cứu men. Một mô hình phân chia tế bào men giống như mô hình máy tính của một động cơ của một kỹ sư có thể làm sáng tỏ mức độ quan trọng của việc các hệ thống điều khiển bị hư hỏng trong những bệnh như ung thư như thế nào nhưng ngay bây giờ tất cả chúng ta đều có những danh sách dài các thành phần và một số biểu đồ cơ bản – không đủ cho việc tạo ra bất cứ tế bào nào.

Vấn đề này lại nổi lên một lần nữa trong các nghiên cứu liên kết của bộ gen, các nghiên cứu đã đưa ra những danh sách gen có thể liên quan đến các bệnh như tiểu đường và bệnh tim. Chúng ta có hiểu những căn bệnh này tốt hơn khi chúng ta có những danh sách như vậy không? Thật sự là không, bởi vì chúng ta không biết làm thế nào các thành phần đó hợp lại với nhau thành sức khỏe hoặc bệnh tật.

Vậy các nhà sinh học hệ thống đang làm gì đối với vấn đề này? Sự thật là, họ cũng viết ra những danh sách dài các gen có liên quan đến một quá trình sinh học nhất định, nhưng nhiều nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu xem các danh sách thành phần này thay đổi theo thời gian như thế nào: gen nào được bật hoặc tắt khi một tế bào thân phân hoá thành một tế bào thần kinh? Gen nào thì hoạt động tích cực trong tế bào nào khi một phôi phát triển từ một tế bào đơn lẻ? tế bào mầm nào làm tăng tế bào cơ và tế bào thần kinh? Đây là một số chủ đề nổi bật đang được nghiên cứu trong sinh học hệ thống.

Phát hiện tế bào mầm nào làm gia tăng cho tế bào trưởng thành nào là một trọng điểm nghiên cứu của tiến sĩ Robert Waterston tại trường đại học Washington:

Tiến sĩ Waterston đã phát triển được một kỹ thuật chụp ảnh không thể tin được có khả năng dò theo các tế bào cá nhân trong một phôi thai sâu, theo sau một tế bào thân ban đầu trong suốt tất cả quá trình phân chia của nó khi những phần khác nhau của con sâu phát triển.

Tiến sĩ Jeanne Loring, tại viện Scripps, đang nghiên cứu những thay đổi diễn ra trong các tế bào gốc phôi thai đơn lẻ khi chúng phân hoá thành các loại tế bào khác. Bà đang nghiên cứu cơ chế methyl hóa DNA (DNA methylation) trong các tế bào gốc khi chúng thay đổi. Biết được cơ chế này biến đổi như thế nào qua thời gian là một phần hiểu biết then chốt về làm thế nào mà tất cả các loại tế bào khác nhau của chúng ta có cùng DNA nhưng lại hoạt động khác nhau.

Và tại Havard, tiến sĩ Sunney Xie đang sử dụng cách soi kính hiển vi phức tạp để nghiên cứu làm thế nào các thành phần của hệ thống sinh học hoạt động theo quy luật tự nhiên bên trong các tế bào sống. Ông có thể xem các phân tử protein đơn lẻ bên trong các tế bào đơn lẻ và đo đạc độ nhanh của một protein điều tiết trượt dọc theo một sợi DNA, và một tế bào có thể tạo ra một protein khi phản ứng với một tín hiệu môi trường nhanh như thế nào và cần có bao nhiêu phân tử protein để bắt đầu một vòng phản hồi tích cực.

Sinh học hệ thống vẫn đang là một lĩnh vực “chưa trưởng thành”, đang phấn đấu để làm rõ các câu hỏi khoa học cấp bách nhất và để xác định những con đuờng nghiên cứu hứa hẹn nhất. Tại cuộc họp ở Cold Spring Harbor, rõ ràng là trong khi một số người đang thực hiện việc nghiên cứu cực kỳ thú vị thì chúng ta vẫn còn rất lâu mới có thể tạo ra một mô hình tế bào máy tính, hay thậm chí một hệ thống phụ tế bào nhỏ mà với nó chúng ta có thể giả lập những biến đổi do thuốc hoặc sự đột biến gây ra.

Một kỹ sư xe Mercedes với ý tưởng mới để cải tiến động cơ có thể kiểm tra nó trên mô hình trước nhưng một công ty dược với loại thuốc tiềm năng mới không thể làm giống như vậy, nó không thể dự đoán bất cứ điều gì về việc tế bào sẽ phản ứng với thuốc đó như thế nào. Chúng ta có lẽ còn rất xa mục đích đó nhưng sinh học hệ thống là một lĩnh vực đáng để mắt tới.