Các nhà khoa học vừa đạt bước tiến đáng chú ý trong việc giải mã quá trình một tế bào ban đầu phát triển thành hàng triệu tế bào, sau đó hình thành những mô và cơ quan phức tạp của cơ thể. Bằng công nghệ được gọi là “máy đánh chữ DNA”, nhóm nghiên cứu đã ghi lại lịch sử phát triển của khoảng 1,28 triệu tế bào trong quá trình hình thành phôi chuột kéo dài hai tuần, tạo ra một dạng hồ sơ sinh học giúp truy ngược nguồn gốc của từng dòng tế bào.
Công nghệ này hoạt động bằng cách bổ sung các mã nhận dạng DNA theo trình tự khi tế bào phân chia. Những mã này được truyền lại cho các tế bào con, qua đó giúp nhà nghiên cứu xác định các tế bào có chung tổ tiên, thời điểm dòng tế bào phân nhánh và con đường phát triển của chúng.
Nghiên cứu do nhóm của giáo sư Jay Shendure thuộc Trường Y, Đại học Washington, dẫn dắt được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế Science vào ngày 8/10, theo thông tin trong bài viết nguồn. Thành tựu này có thể tạo thêm công cụ để tìm hiểu cơ chế hình thành dị tật bẩm sinh, bệnh di truyền và ung thư.
“Hộp đen” sinh học ghi lại lịch sử phát triển của tế bào
Trong quá trình phát triển phôi thai, một tế bào ban đầu liên tục phân chia và tạo ra nhiều dòng tế bào khác nhau. Một số tế bào trở thành tế bào máu, một số tham gia hình thành da, trong khi những tế bào khác phát triển thành mô thần kinh, võng mạc và các cơ quan nội tạng.
Các nhà khoa học từ lâu đã có thể quan sát hình thái tế bào, xác định những gene đang hoạt động và nghiên cứu các đặc điểm phân tử của mô. Tuy nhiên, việc tái dựng chính xác lịch sử tổ tiên của từng tế bào trong một cơ thể đang phát triển vẫn là thách thức lớn.
Máy đánh chữ DNA hướng đến giải quyết vấn đề này bằng cách biến vật liệu di truyền thành một dạng nhật ký sinh học. Thay vì chỉ quan sát tế bào ở một thời điểm, các nhà nghiên cứu có thể đọc những dấu vết được tích lũy qua nhiều lần phân chia.
Hãy hình dung một phôi thai như một cây gia phả khổng lồ. Mỗi lần một tế bào phân chia, hai tế bào con kế thừa thông tin từ tế bào mẹ, đồng thời tiếp tục tích lũy những dấu nhận dạng mới. Khi so sánh các dấu này giữa nhiều tế bào, nhà khoa học có thể tái dựng những nhánh phát triển và xác định các tế bào nào có quan hệ tổ tiên gần nhau.
Đây chính là ý nghĩa của hình ảnh “hộp đen” phát triển: những sự kiện xảy ra trong quá khứ được ghi lại ngay trong DNA, giúp các nhà nghiên cứu truy tìm quá trình đã dẫn đến trạng thái hiện tại của tế bào.
Nếu được kết hợp với các phương pháp phân tích gene và xác định loại tế bào, công nghệ này có thể cung cấp bức tranh chi tiết hơn về cách một cơ thể hình thành từ những tế bào ban đầu.
Máy đánh chữ DNA hoạt động như thế nào?
Máy đánh chữ DNA không phải thiết bị cơ học dùng mực và giấy. Đây là một hệ thống sinh học sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene để đưa các trình tự DNA xác định vào một vùng lưu trữ được thiết kế bên trong tế bào.
DNA tự nhiên sử dụng bốn loại bazơ là A, T, G và C để mã hóa thông tin di truyền. Trong khi đó, máy tính thường biểu diễn dữ liệu bằng hệ nhị phân gồm hai ký hiệu 0 và 1.
Về nguyên tắc, dữ liệu kỹ thuật số có thể được chuyển đổi thành những chuỗi ký hiệu tương ứng với các bazơ DNA. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể thiết kế những đoạn DNA chứa thông tin và sử dụng hệ thống chỉnh sửa gene để ghi chúng vào vị trí được xác định.
Điểm đặc biệt của máy đánh chữ DNA trong nghiên cứu này là việc ghi dữ liệu diễn ra theo trình tự thời gian gắn với quá trình phân chia tế bào.
Trước khi phôi phát triển, nhóm nghiên cứu đưa hệ thống ghi nhận vào phôi chuột. Khi tế bào phân chia, các dấu DNA đã có được truyền lại cho tế bào con, đồng thời hệ thống tiếp tục bổ sung những dấu mới theo cơ chế được thiết kế.
Qua nhiều thế hệ tế bào, chuỗi dấu nhận dạng tích lũy thông tin về lịch sử phân chia. Khi giải trình tự DNA từ nhiều tế bào, các nhà nghiên cứu có thể so sánh những phần mã chung và khác biệt để xây dựng cây dòng dõi tế bào.
Các tế bào có những đoạn dấu nhận dạng giống nhau ở phần đầu của chuỗi có thể được xác định là có chung tổ tiên. Những khác biệt xuất hiện về sau giúp xác định các nhánh đã tách ra trong quá trình phát triển.
Cách tiếp cận này không đơn thuần chụp lại trạng thái của tế bào mà còn tìm cách lưu giữ dấu vết của những sự kiện đã xảy ra trước đó.
Từ những thông điệp đầu tiên đến bản đồ phát triển của phôi chuột
Ý tưởng sử dụng DNA để lưu trữ thông tin không hoàn toàn mới. Năm 2022, nhóm nghiên cứu của Jay Shendure và cộng sự đã công bố một nghiên cứu trình diễn khả năng ghi các thông điệp vào tế bào nuôi cấy bằng máy đánh chữ DNA.
Những nội dung được ghi lại bao gồm một thông điệp lịch sử từng được truyền bằng mã Morse, dấu mốc liên quan đến cuộc gọi điện thoại đầu tiên của Alexander Graham Bell và một câu trong ca khúc “DNA” của nhóm nhạc BTS, theo bài viết nguồn.
Các thử nghiệm đó cho thấy DNA có thể được sử dụng như một phương tiện lưu trữ thông tin trong tế bào sống. Tuy nhiên, ghi một thông điệp vào tế bào nuôi cấy và theo dõi lịch sử phát triển của cả một phôi động vật là hai thách thức khác nhau.
Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học đã đưa hệ thống vào 100 phôi chuột. Theo mô tả được cung cấp, một phôi trong số đó thể hiện hoạt động ghi nhận đặc biệt rõ ràng, cho phép các nhà nghiên cứu tái dựng dòng dõi của khoảng 1,28 triệu tế bào trong hơn hai tuần phát triển.
Phân tích cho thấy các tế bào được khảo sát có thể được truy ngược về những tế bào thuộc giai đoạn phân chia đầu tiên của phôi. Nhóm nghiên cứu cũng xác định được những thời điểm các dòng tế bào bắt đầu đi theo những con đường phát triển riêng biệt.
Kết quả này đưa công nghệ máy đánh chữ DNA từ giai đoạn chứng minh khả năng ghi thông tin sang một ứng dụng phức tạp hơn: lập bản đồ lịch sử phát triển của các tế bào trong phôi động vật thực tế.
Tế bào máu và võng mạc phân nhánh sớm, tế bào da có thể được xác định số phận muộn hơn
Một phát hiện đáng chú ý của nghiên cứu là các loại tế bào khác nhau không nhất thiết được xác định số phận ở cùng một thời điểm trong quá trình phát triển phôi.
Theo bài viết nguồn, các dòng tế bào hình thành máu và võng mạc đi theo những con đường phát triển riêng biệt từ khá sớm. Trong khi đó, thời điểm xác định số phận của các tế bào thuộc lớp ngoài cùng, liên quan đến sự hình thành da, diễn ra muộn hơn so với một số vùng khác.
Điều này có ý nghĩa vì quá trình phát triển phôi không phải một chuỗi sự kiện đơn giản, trong đó mọi tế bào đều tiến triển theo cùng một lịch trình. Các dòng tế bào có thể phân nhánh vào những thời điểm khác nhau, chịu tác động của tín hiệu phân tử và môi trường phát triển.
Nếu một sai lệch xuất hiện ở giai đoạn sớm, ảnh hưởng của nó có thể lan rộng đến nhiều dòng tế bào hậu duệ. Ngược lại, một bất thường xảy ra muộn hơn có thể chỉ ảnh hưởng đến một nhóm tế bào hoặc một loại mô nhất định.
Bằng cách truy ngược lịch sử phát triển, các nhà khoa học có thể tìm hiểu thời điểm một dòng tế bào bắt đầu đi chệch khỏi quỹ đạo thông thường. Đây là bước quan trọng để xây dựng những giả thuyết về nguyên nhân của bất thường trong quá trình hình thành mô và cơ quan.
Dù vậy, việc phát hiện quan hệ tổ tiên giữa các tế bào không tự động chứng minh nguyên nhân của một dị tật. Để xác định cơ chế gây bệnh, các nhà nghiên cứu vẫn cần kết hợp dữ liệu dòng dõi với phân tích gene, quan sát chức năng tế bào và những thí nghiệm xác nhận độc lập.
Prime Editing giúp ghi thông tin vào DNA có kiểm soát hơn
Một thành phần quan trọng trong hệ thống là công nghệ chỉnh sửa gene Prime Editing.
CRISPR-Cas9 truyền thống thường được mô tả như một chiếc kéo phân tử có thể cắt DNA tại vị trí được hướng dẫn. Phương pháp này đã mở rộng đáng kể khả năng chỉnh sửa bộ gene, nhưng việc tạo đứt gãy ở cả hai sợi DNA có thể dẫn đến những thay đổi ngoài dự kiến trong một số điều kiện.
Prime Editing được phát triển nhằm thực hiện một số dạng chỉnh sửa chính xác hơn mà không cần tạo đứt gãy kép DNA theo cách thông thường. Công nghệ này sử dụng một hệ thống enzyme kết hợp với khuôn RNA để hướng dẫn việc ghi những thay đổi cụ thể vào trình tự gene.
Có thể hình dung sự khác biệt bằng một phép so sánh đơn giản: nếu một số phương pháp chỉnh sửa giống như cắt bỏ một đoạn văn rồi tìm cách thay thế, Prime Editing gần với việc sử dụng công cụ chỉnh sửa văn bản để xác định vị trí cần thay đổi và đưa nội dung mới vào.
Trong máy đánh chữ DNA, khả năng ghi những đoạn trình tự theo thiết kế là điều quan trọng, bởi các dấu nhận dạng phải được bổ sung qua nhiều vòng phân chia mà vẫn giữ được thông tin cần thiết để tái dựng dòng dõi.
Theo mô tả của nhóm nghiên cứu, hệ thống sử dụng một cấu trúc ghi dữ liệu theo trình tự. Khi một vùng lưu trữ đã hoàn tất quá trình ghi, vùng tiếp theo được kích hoạt, giúp các dấu DNA được bổ sung theo thứ tự thời gian thay vì liên tục ghi đè lên cùng một vị trí.
Các nhà nghiên cứu cũng thiết kế lại vùng lưu trữ để thông tin có thể được đọc từ từng tế bào về sau. Đây là bước quan trọng, bởi ghi dữ liệu thành công mới chỉ giải quyết một nửa bài toán; hệ thống còn phải cho phép giải mã chính xác lịch sử được lưu lại.
Dù Prime Editing có tiềm năng tăng độ chính xác, công nghệ này không loại bỏ hoàn toàn mọi nguy cơ phát sinh lỗi. Hiệu quả ghi nhận còn phụ thuộc vào thiết kế hệ thống, đặc điểm tế bào và điều kiện thí nghiệm.
Tiềm năng nghiên cứu dị tật bẩm sinh và bệnh di truyền
Một trong những hướng ứng dụng đáng chú ý của máy đánh chữ DNA là nghiên cứu những sai lệch trong quá trình hình thành cơ quan.
Dị tật bẩm sinh có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân, bao gồm biến thể gene, yếu tố môi trường và những tương tác phức tạp trong quá trình phát triển phôi. Trong nhiều trường hợp, rất khó xác định bất thường bắt đầu từ thời điểm nào và ảnh hưởng đến những dòng tế bào nào.
Nếu có thể lập bản đồ dòng dõi với độ phân giải cao, các nhà khoa học có thể xác định những nhóm tế bào có chung lịch sử phát triển và so sánh chúng với các nhóm tế bào phát triển bình thường.
Ví dụ, nếu một nhóm tế bào trong cơ quan có dấu hiệu bất thường, hồ sơ dòng dõi có thể giúp xác định chúng bắt nguồn từ một nhánh tế bào chung hay phát sinh độc lập ở nhiều thời điểm khác nhau.
Thông tin này có thể giúp thu hẹp phạm vi tìm kiếm nguyên nhân và thiết kế những thí nghiệm tiếp theo để kiểm tra cơ chế bệnh sinh.
Đối với bệnh di truyền, việc kết hợp lịch sử tế bào với dữ liệu biến thể gene có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn cách một biến đổi di truyền được truyền qua các thế hệ tế bào và ảnh hưởng đến sự hình thành mô.
Tuy nhiên, công nghệ hiện vẫn là công cụ nghiên cứu. Khả năng ghi lại dòng dõi tế bào trong phôi chuột không đồng nghĩa phương pháp đã sẵn sàng để chẩn đoán bệnh ở người hoặc được sử dụng thường quy trong lâm sàng.
Theo dõi ung thư di căn và phát triển tế bào trị liệu
Ngoài phát triển phôi, lịch sử dòng dõi tế bào còn có ý nghĩa trong nghiên cứu ung thư.
Một khối u thường bao gồm nhiều nhóm tế bào có đặc điểm di truyền và chức năng khác nhau. Khi ung thư lan sang cơ quan khác, các tế bào di căn có thể phát triển từ một nhánh của khối u ban đầu hoặc trải qua những thay đổi trong quá trình lan truyền.
Nếu ghi nhận được lịch sử phát triển của các tế bào ung thư, các nhà nghiên cứu có thể truy tìm quan hệ giữa tế bào ở khối u nguyên phát và tế bào tại vị trí di căn. Điều này có thể hỗ trợ việc nghiên cứu con đường di căn, sự đa dạng của khối u và những thay đổi xảy ra trong quá trình bệnh tiến triển.
Theo thông tin trong bài viết nguồn, một nhóm nghiên cứu khác do giáo sư Choi Jun-hong tham gia đã sử dụng phương pháp liên quan để theo dõi quá trình ung thư di căn từ phổi đến gan ở chuột, phối hợp với giáo sư Kim Hyung-bum thuộc Trường Y Đại học Yonsei.
Nếu được xác nhận và phát triển thêm, hướng nghiên cứu này có thể bổ sung công cụ để khảo sát cách tế bào ung thư di chuyển, tồn tại và hình thành ổ bệnh mới.
Máy đánh chữ DNA cũng có tiềm năng hỗ trợ nghiên cứu tế bào trị liệu. Để phát triển những liệu pháp dựa trên tế bào, các nhà khoa học cần hiểu cách tế bào thay đổi trạng thái, biệt hóa và duy trì đặc tính trong những điều kiện khác nhau.
Việc truy xuất dòng dõi có thể giúp đánh giá nguồn gốc của các quần thể tế bào, từ đó hỗ trợ nghiên cứu độ ổn định và tính nhất quán của những sản phẩm tế bào được phát triển trong phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, khả năng ứng dụng trong điều trị vẫn cần trải qua nhiều bước đánh giá về độ chính xác, độ an toàn và tính phù hợp với từng loại bệnh.
Giới hạn hiện tại của công nghệ máy đánh chữ DNA
Mặc dù mở ra triển vọng lớn, công nghệ này vẫn đối mặt với nhiều thách thức.
Thứ nhất, việc đưa hệ thống ghi nhận vào phôi hoặc tế bào phải bảo đảm không làm thay đổi quá mức quá trình phát triển tự nhiên. Nếu chính hệ thống ghi dữ liệu gây ảnh hưởng đến tế bào, các kết quả thu được có thể khó diễn giải.
Thứ hai, dữ liệu DNA cần được giải trình tự và phân tích bằng các phương pháp tin sinh học. Khi số lượng tế bào tăng lên hàng triệu, việc tái dựng cây dòng dõi trở thành bài toán tính toán phức tạp, đòi hỏi thuật toán có khả năng xử lý dữ liệu lớn và nhận diện những sai lệch.
Thứ ba, dấu nhận dạng có thể bị mất, không được ghi đầy đủ hoặc xuất hiện lỗi trong quá trình sao chép. Những yếu tố này có thể làm giảm độ chính xác khi xác định quan hệ giữa các tế bào.
Cuối cùng, kết quả thu được từ phôi chuột không thể tự động áp dụng trực tiếp cho con người. Quá trình phát triển phôi giữa các loài có những điểm tương đồng nhưng cũng có những khác biệt đáng kể về thời gian, cấu trúc và điều hòa gene.
Do đó, giá trị lớn nhất trước mắt của máy đánh chữ DNA là cung cấp một phương pháp nghiên cứu mới, giúp các nhà khoa học đặt ra và kiểm tra những câu hỏi mà các công cụ quan sát truyền thống khó trả lời.
Máy đánh chữ DNA đánh dấu một bước tiến trong nghiên cứu phát triển tế bào khi cho phép các nhà khoa học lưu lại những dấu vết phân tử của quá trình phân chia và truy dựng lịch sử dòng dõi. Việc lập bản đồ khoảng 1,28 triệu tế bào trong phôi chuột cho thấy tiềm năng của công nghệ trong việc nghiên cứu cách các mô và cơ quan hình thành.
Trong tương lai, phương pháp này có thể góp phần làm sáng tỏ cơ chế phát sinh dị tật bẩm sinh, bệnh di truyền và sự lan rộng của ung thư. Dù vẫn còn những giới hạn về độ chính xác, khả năng triển khai và tính ứng dụng trên người, công nghệ ghi lịch sử tế bào bằng DNA đang mở ra một hướng tiếp cận mới: không chỉ quan sát tế bào đang tồn tại, mà còn tìm hiểu quá trình đã tạo ra chúng.
Nguồn tham khảo: Tạp chí Science; thông tin nghiên cứu của nhóm giáo sư Jay Shendure tại Đại học Washington; nội dung bài viết nguồn do người dùng cung cấp.
Lưu ý: Các kết quả nghiên cứu trên phôi chuột và mô hình tế bào không đồng nghĩa công nghệ đã được xác nhận để chẩn đoán hoặc điều trị bệnh trên người.
Câu hỏi thường gặp về máy đánh chữ DNA
1. Máy đánh chữ DNA là gì?
Đây là công nghệ sử dụng hệ thống chỉnh sửa gene để ghi các mã nhận dạng DNA vào tế bào theo trình tự, giúp lưu lại thông tin về lịch sử phân chia và quan hệ tổ tiên của các tế bào.
2. Công nghệ này đã theo dõi được bao nhiêu tế bào?
Theo nội dung nghiên cứu được cung cấp, nhóm khoa học đã tái dựng dòng dõi của khoảng 1,28 triệu tế bào trong quá trình phát triển phôi chuột kéo dài hơn hai tuần.
3. Máy đánh chữ DNA có thể giúp nghiên cứu dị tật bẩm sinh như thế nào?
Công nghệ có thể giúp truy tìm nguồn gốc của các dòng tế bào và xác định thời điểm chúng phân nhánh. Khi kết hợp với dữ liệu gene và thí nghiệm chức năng, thông tin này có thể hỗ trợ nghiên cứu thời điểm và cơ chế phát sinh bất thường trong quá trình phát triển.
4. Prime Editing khác gì CRISPR-Cas9?
CRISPR-Cas9 thường tạo vị trí cắt trên DNA để tế bào sửa chữa, trong khi Prime Editing sử dụng khuôn RNA và enzyme chuyên biệt để thực hiện một số thay đổi trình tự có định hướng mà không cần tạo đứt gãy kép DNA theo cách thông thường.
5. Máy đánh chữ DNA có thể phát hiện hoặc chữa ung thư không?
Hiện tại, đây chủ yếu là công cụ nghiên cứu. Nó có thể hỗ trợ tìm hiểu quan hệ giữa các tế bào ung thư và quá trình di căn, nhưng không đồng nghĩa đã trở thành phương pháp chẩn đoán hoặc điều trị ung thư được sử dụng thường quy.
6. Công nghệ này đã áp dụng cho con người chưa?
Nghiên cứu được mô tả tập trung vào phôi chuột và các mô hình tế bào. Cần có thêm nghiên cứu để xác định khả năng ứng dụng, độ an toàn và những giới hạn trước khi xem xét sử dụng rộng rãi trong y học người.
Cập nhật những đột phá khoa học, công nghệ sinh học, trí tuệ nhân tạo và các xu hướng đang thay đổi thế giới cùng Điểm Tin Nhanh.
ĐỌC TIN MỚI TRÊN ĐIỂM TIN NHANH
