Gửi bình luận
Amy Palmer - một nhà nghiên cứu hóa sinh tại Đại học Colorado Boulder, đã sử dụng các cảm biến huỳnh quang hiện đại và phần mềm tính toán để theo dõi các tế bào sinh trưởng theo chu trình tự nhiên nhằm hiểu rõ hơn về một vi chất dinh dưỡng thiết yếu.
Nguyên tố quan trọng nhưng lại ít người để ý
Kẽm là một vi chất dinh dưỡng mà nhiều người đều biết là thiết yếu, nhưng không hiểu hoàn toàn mọi chi tiết cụ thể. Trái ngược với các nguyên tố khác như canxi mà hầu hết mọi người đều biết có thể hấp thụ từ một ly sữa hoặc hấp thụ kali có trong chuối, nguồn cung cấp kẽm cho chúng ta lại không được biết đến nhiều.
Những điều chưa biết về kẽm còn mở rộng đến cách thức hoạt động của nó trong cơ thể. Mặc dù nghiên cứu đã chứng minh rằng kẽm cần thiết cho một loạt các chức năng quan trọng: từ tăng trưởng và quá trình nhân lên của tế bào đến tạo DNA, hỗ trợ hệ thống miễn dịch, xây dựng protein và nhiều chức năng khác... nhưng người ta vẫn chưa biết nhiều về cách thức hoạt động của kẽm. Trên thực tế, các nhà khoa học biết kẽm có nhiều tác dụng đối với cơ thể, đặc biệt là vai trò của nó đối với sự tăng trưởng. Người ta nhận ra sự quan trọng của nó nhờ cách phép "ngoại suy" khi nghiên cứu các trường hợp thiếu kẽm đã gây ra những hậu quả thế nào.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới được công bố do Amy Palmer, Giáo sư tại Khoa Hóa sinh thuộc Đại học Colorado Boulder thực hiện, đã làm sáng tỏ một điều mới về vai trò của kẽm trong sự phát triển của tế bào. Nghiên cứu cho thấy rằng khi nồng độ kẽm quá thấp hoặc quá cao, tất cả quá trình sinh trưởng tế bào sẽ dừng lại cho đến khi nồng độ kẽm quay trở lại mức chấp nhận được. Nghiên cứu cũng hé lộ một hiện tượng mà các nhà nghiên cứu gọi là “xung kẽm” ở thời điểm ngay sau khi một tế bào phân chia. Chính xác, tế bào đã trải qua giai đoạn tạm thời gia tăng lượng kẽm và giảm xuống sau khoảng một giờ.
Palmer và các nghiên cứu sinh Ananya Rakshit và Samuel Holtzen, đã có thể đạt được hiểu biết này về vai trò quan trọng của kẽm bằng cách sử dụng các cảm biến huỳnh quang là protein được mã hóa di truyền có thể thay đổi màu sắc và phát ra ánh sáng khi kẽm liên kết với chúng.
Palmer giải thích: “Đối với lĩnh vực này, những cảm biến huỳnh quang là một bước đột phá lớn vì chúng cho phép chúng tôi đo và định lượng kẽm trong các tế bào riêng lẻ trong nhiều giờ. Chúng tôi có thể quan sát kẽm khi tế bào chuẩn bị phân chia, khi nó phân chia và khi hai tế bào mới tạo ra trải qua quá trình tương tự. Chúng ta cần hiểu ở cấp độ tế bào tại sao kẽm lại cần thiết, kẽm cần thiết ở đâu và cần bao nhiêu kẽm”
Sử dụng cảm biến huỳnh quang giúp soi sáng góc khuất nhu cầu của từng tế bào
Palmer là người được giới khoa học quốc tế công nhận với công trình phát triển cảm biến huỳnh quang phát hiện kim loại trong tế bào mà không làm gián đoạn chức năng của tế bào. Bà và các đồng nghiệp nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật hóa sinh và một chút công nghệ mới để tạo ra cảm biến liên kết với kẽm.
Palmer nói: “Những cảm biến huỳnh quang này ít gây nhiễu cho các tế bào hơn, để chúng hoạt động tuần hoàn một cách tự nhiên và công nghệ cảm biến huỳnh quang thực sự là làn sóng của tương lai cho lĩnh vực nghiên cứu này".
Khi Palmer mở phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Colorado, bà và các đồng nghiệp bắt đầu phát triển các cảm biến huỳnh quang này, dựa trên nghiên cứu trước mà Palmer đã hoàn thành cùng với sự trợ giúp từ nhà khoa học Roger Tsien. Ông Tsien đã giành giải Nobel Hóa học nhờ khám phá và phát triển protein phát huỳnh quang màu xanh lá mà ông và các nhà khoa học khác đã sử dụng để theo dõi thời điểm và vị trí một số gien nhất định trong tế bào.
Palmer nói: “Điều thực sự thú vị về những cảm biến huỳnh quang này là chúng được tạo ra từ các protein được mã hóa di truyền. Chúng có một chuỗi DNA mã hóa một loại protein sẽ liên kết với kẽm".
“Sự chuyển màu này xảy ra khi nó liên kết đặc biệt với kẽm, đây là một bước đột phá lớn. Thật dễ dàng để nhận được phản hồi lẻ tẻ, nhưng để thu được phản hồi thực sự lớn, mạnh mẽ có thể được sử dụng để theo dõi các tế bào trong hơn 60 giờ thì thật sự khó hơn nhiều. Chúng tôi đã trải qua rất nhiều lần tối ưu hóa lặp đi lặp lại các công cụ của mình để khiến chúng hoạt động theo cách chúng tôi muốn”.
Bằng cách đưa các cảm biến huỳnh quang vào các tế bào, Palmer và các đồng nghiệp không chỉ đo được nồng độ kẽm mà còn theo dõi từng tế bào riêng lẻ trong hơn 60 giờ. Khác với các phương pháp trước can thiệp sâu vào quá trình hoạt động của tế bào khi buộc phải dùng đến hóa chất và huyết thanh (ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo đạc), công nghệ mới cho phép các tế bào vẫn thực hiện công việc một cách bình thường trong thời gian thực. Sau đó, các nhà nghiên cứu tính toán tìm ra trạng thái của mỗi tế bào và lượng kẽm chứa ở mỗi thời điểm.
Ý nghĩa đối với dinh dưỡng và bệnh tật
Nghiên cứu của Palmer không chỉ quan trọng vì các công cụ sáng tạo trên đang được phát triển và sử dụng để nghiên cứu chu trình tế bào, mà còn vì tính chất thiết yếu của kẽm chưa được biết đến rộng rãi. Khoảng 17% dân số thế giới bị thiếu kẽm và tình trạng này là một cuộc khủng hoảng sức khỏe cộng đồng ở một số nơi trên thế giới.
Thiếu kẽm nghiêm trọng có thể dẫn đến cơ thể chậm hoặc ngừng tăng trưởng và phát triển, chậm trưởng thành về giới tính, suy giảm chức năng miễn dịch và khả năng tự chữa lành vết thương... Tuy nhiên, các nhà khoa học hiện mới chỉ bắt đầu hiểu khi nào các tế bào cần kẽm và cần bao nhiêu kẽm. Họ có thể sẽ chẳng biết gì hay giống như mò mẫm trong đêm nếu không có công nghệ quan sát mới.
Bằng cách sử dụng các cảm biến huỳnh quang để theo dõi sự hấp thụ kẽm của từng tế bào trong hơn 60 giờ, Palmer và các đồng nghiệp đã có thể phát hiện ra xung kẽm xảy ra ngay sau khi tế bào phân chia.
Palmer nói: “Chúng tôi chưa biết chính xác tại sao điều đó xảy ra, nhưng chúng tôi suy đoán rằng hai tế bào con mới được tạo ra cần mang lại nhiều kẽm để thiết lập sự phát triển trong từng tế bào. Nếu tế báo không có xung kẽm thì chúng không thể tiếp tục chu trình và phải tạm dừng.”
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng lượng kẽm cần phải ở mức vừa đủ vì nếu quá cao hoặc quá thấp thì chức năng tế bào sẽ tạm dừng cho đến khi mức kẽm trở lại bình thường. Trong thời gian tạm dừng đó, họ quan sát thấy rằng các tế bào gặp khó khăn trong việc tạo ra DNA.
Dựa trên kết quả của nghiên cứu được công bố gần đây, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát hiện ra hàm lượng kẽm rất cao thường được tìm thấy trong các tế bào ung thư vú. Họ đang tìm hiểu lý do tại sao những tế bào đó không tạm dừng phản ứng với mức kẽm cao theo cách mà các tế bào khỏe mạnh thường có. Palmer nói, dường như là mỗi tế bào có một "công tắc an toàn" nhưng ung thư bằng cách nào đó có thể vô hiệu hóa.
Theo Palmer, tìm hiểu sâu hơn về thời điểm và lý do tại sao các tế bào cần kẽm và lượng kẽm có thể giúp hiểu thêm về nhu cầu dinh dưỡng của con người ở cấp độ toàn bộ cơ thể, đồng thời có ý nghĩa đối với việc hiểu về rối loạn điều hòa hoặc rối loạn chức năng kẽm trong bệnh tật.
