Cách tế bào sống tự gửi “báo cáo” hoạt động gene ra ngoài

Muốn biết một tế bào đang sử dụng những gene nào, các nhà nghiên cứu thường phân tích transcriptome, tức toàn bộ RNA mà tế bào tạo ra. Vấn đề là cách lấy RNA thông thường phải phá hủy tế bào, nên kết quả chỉ giống một bức ảnh chụp tại một thời điểm. Một phương pháp do nhóm nghiên cứu tại Broad Institute và MIT phát triển đã đổi cách tiếp cận: tế bào sống được thiết kế để tự đóng gói RNA rồi gửi các gói này ra môi trường nuôi cấy. [1]

Điểm đáng chú ý không chỉ là giữ tế bào sống sau phép đo. Khi có thể lấy mẫu dịch nuôi nhiều lần, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi cùng một quần thể khi nó trưởng thành, chịu một tác động hoặc đáp ứng với thuốc. Thay vì ghép các ảnh chụp từ nhiều nhóm tế bào khác nhau, họ có cơ hội quan sát một quá trình diễn ra theo thời gian. [1]

Vì sao một lần lấy RNA chưa đủ?

RNA phản ánh phần nào hoạt động gene đang diễn ra trong tế bào. Phân tích nó có thể giúp nhận biết trạng thái và đặc điểm của tế bào, nhưng phép đo phá hủy tạo ra một giới hạn căn bản: mẫu đã được đọc thì không còn để quan sát ở lần tiếp theo. Muốn khảo sát nhiều thời điểm, người làm thí nghiệm phải dùng các quần thể tương ứng khác nhau và đặt kết quả cạnh nhau. [1]

Có thể hình dung một ví dụ: để biết một chậu cây thay đổi ra sao trong một tuần, ta có thể chụp chính chậu cây ấy mỗi ngày, hoặc mỗi ngày dùng một chậu khác được cho là tương đương. Cách thứ hai vẫn cho thông tin, nhưng khác biệt giữa các chậu có thể chen vào câu chuyện. Với tế bào, khả năng đo lặp lại cũng giúp tách rõ hơn thay đổi theo thời gian khỏi khác biệt giữa các mẫu.

Retrovirus gợi ra ý tưởng gì?

Bước ngoặt đến từ một đặc điểm của retrovirus: chúng có thể bọc RNA của mình trong lớp vỏ protein để lan từ tế bào nhiễm sang tế bào khác. Nhóm nghiên cứu không dùng khả năng này để tạo một virus hoàn chỉnh. Họ lấy nguyên lý đóng gói và vận chuyển RNA làm nền tảng cho một hệ thống phân tử do tế bào tự vận hành. [1]

Ý tưởng ấy biến bài toán lấy mẫu từ “mở tế bào để tìm RNA” thành “để tế bào đưa RNA ra nơi có thể thu nhận”. Đây là thay đổi quan trọng về thiết kế. Nếu thông tin cần đo đã đi vào dịch nuôi cấy, người nghiên cứu chỉ phải lấy một phần chất lỏng bao quanh tế bào, thay vì can thiệp cơ học trực tiếp vào cấu trúc đang sống. [1]

Tế bào gửi RNA ra ngoài bằng cách nào?

Các tế bào động vật có vú được thiết kế để tạo một protein cấu trúc có nguồn gốc retrovirus. Protein này gắn vào màng tế bào, thu nhận RNA của tế bào và tạo vỏ bao quanh RNA. Gói hình thành được gọi là hạt giống virus vì có lớp vỏ và khả năng mang vật liệu RNA, nhưng cách gọi đó không đồng nghĩa với việc nó là một virus có đầy đủ chức năng. [1]

Sau khi hình thành ở màng, hạt mang RNA nảy chồi ra ngoài và đi vào môi trường nuôi cấy. Người nghiên cứu lấy mẫu chất lỏng, tách RNA khỏi các hạt rồi giải trình tự để có cái nhìn về transcriptome của quần thể. Chu trình lấy mẫu có thể lặp lại mà không cần phá hủy những tế bào đang được theo dõi. [1]

Có thể xem đây như một hộp thư đặt bên ngoài một cơ sở đang hoạt động. Người quan sát thu các bản tin được chuyển ra mà không phải tháo dỡ cơ sở để kiểm tra bên trong. So sánh này chỉ diễn tả logic lấy mẫu; các hạt không phải bản báo cáo có chủ ý, còn RNA thu được là sản phẩm của một cơ chế đã được thiết kế.

Phương pháp đã được thử ở những hệ nào?

Nhóm phát triển thử cách tự báo cáo trên nhiều mô hình, gồm tế bào người bất tử hóa (có khả năng phân chia lâu dài trong phòng thí nghiệm), dòng tế bào ung thư, tế bào gốc, tế bào thần kinh tạo từ tế bào gốc và tế bào sơ cấp của người hiến. Trong một môi trường nuôi chung hai loại tế bào, các hạt còn được gắn dấu để tín hiệu của từng loại có thể được phân biệt khi phân tích. [1]

Khả năng lấy RNA từ dịch nuôi đặc biệt hữu ích với cấu trúc ba chiều vốn dễ bị xáo trộn khi thu tế bào. Phương pháp đã được áp dụng cho các khối cầu tạo từ tế bào nội mô và ghi nhận thay đổi phiên mã ngắn hạn sau kích thích sinh hóa. Nó cũng được dùng trong thiết bị mô phỏng cơ quan trên chip, nơi việc lấy tế bào ra để phân tích gặp khó khăn vì cấu trúc phức tạp. [1]

Chuỗi thời gian mở ra câu hỏi nào?

Khi các mẫu được lấy ở nhiều thời điểm, điều quan trọng không còn chỉ là danh sách RNA tại một khoảnh khắc. Người nghiên cứu có thể xem tín hiệu nào xuất hiện trước, tín hiệu nào kéo dài và tín hiệu nào trở lại mức ban đầu khi tế bào trưởng thành hoặc chịu tác động. Trình tự thay đổi này có thể gợi ý những giai đoạn đáng chú ý để khảo sát sâu hơn. [1]

Ví dụ giả định, nếu một quần thể được xử lý bằng một chất thử nghiệm, mẫu đầu có thể phản ánh đáp ứng sớm, còn các mẫu sau cho thấy trạng thái thích nghi hoặc suy giảm. Chuỗi quan sát ấy không tự chứng minh quan hệ nhân quả và cũng không thay thế các phép kiểm tra khác, nhưng nó giúp xác định thời điểm mà một biến đổi bắt đầu hoặc đổi hướng.

Trong mô hình cơ quan trên chip, nhóm nghiên cứu đã theo dõi động lực biểu hiện gene của tế bào nội mô. Họ nhận thấy các gene liên quan đến quá trình mô hình thành mạng mạch thay đổi tùy nguồn gốc của tế bào nguyên bào sợi hỗ trợ, chẳng hạn nguyên bào sợi từ tử cung hoặc phổi. Đây là một minh họa cho loại khác biệt theo thời gian mà việc lấy mẫu không phá hủy có thể làm lộ rõ. [1]

Giới hạn hiện tại nằm ở đâu?

Phương pháp hiện cung cấp cái nhìn về transcriptome của một quần thể tế bào. Điều đó phù hợp khi câu hỏi tập trung vào diễn biến chung, nhưng có thể che khuất những tế bào hiếm hoặc các nhóm nhỏ phản ứng khác nhau. Nhóm phát triển đang tìm cách đưa hệ thống tới mức theo dõi từng tế bào, cho thấy đây vẫn là một hướng đang được hoàn thiện chứ chưa phải lời giải cho mọi phép đo RNA. [1]

Giá trị cốt lõi của phát minh nằm ở việc tách hành động quan sát khỏi sự kết thúc của mẫu. Khi tế bào có thể tiếp tục sống và tiếp tục gửi RNA ra ngoài, transcriptome không còn chỉ là dấu vết cuối cùng thu được sau khi tế bào bị phá hủy. Nó có thể trở thành một chuỗi ghi nhận, giúp người nghiên cứu nhìn hoạt động gene như một diễn biến thay vì một trạng thái đứng yên. [1]