Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Sau 13 lần phân chia, trứng ruồi được thụ tinh sẽ bao gồm khoảng 6.000 tế bào. Tất cả các tế bào này là như nhau dưới kính hiển vi. Tuy nhiên, mỗi tế bào của phôi ruồi giấm Drosophila melanogaster  đều được lập trình sẵn để trở thành tế bào thần kinh hay tế bào cơ - hay một phần của bộ phận ruột, đầu, hay đuôi. Hiện nay, các nhóm nghiên cứu của Nikolaus Rajewsky và Robert Zinzen tại Viện Sinh học Hệ thống Y khoa Berlin (BIMSB - Berlin Institute of Medical Systems Biology) của Trung tâm Max Delbrück về Y học Phân tử tại Hiệp hội Helmholtz (MDC - Molecular Medicine in the Helmholtz Association) đã phân tích các “dữ liệu” (profiles) biểu hiện gene chuyên biệt cho hàng ngàn tế bào đơn và sử dụng một thuật toán ánh xạ không gian (spatial mapping algorithm) mới để sắp xếp lại các dữ liệu này để từ đó “lắp ráp” (reassembled) thành phôi ruồi. Kết quả của công trình là một phôi ruồi ảo cho biết chính xác loại gene nào đang hoạt động tại từng thời điểm. Robert Zinzen, trưởng Phòng thí nghiệm Biệt hóa mô thần kinh và Sinh học hệ thống (Systems Biology of Neural Tissue Differentiation Lab), cho biết: "Về cơ bản đây là một bản phác thảo phiên mã (transcriptomic blueprint) cho sự phát triển phôi ruồi ở giai đoạn sớm". Bài báo của nhóm nghiên cứu được đăng ở mục First Release trong số báo trực tuyến của tạp chí Science.

Ông Zinzen cho biết: "Việc phân tích sự biểu hiện gene trên toàn bộ gene của từng tế bào đơn ở quy mô lớn chỉ mới trở nên khả thi gần đây. Nikolaus đã sớm nhận thấy tiềm năng của công nghệ này và đưa vào phòng thí nghiệm của mình. Ông bắt đầu tự hỏi liệu, đối với một tổ chức mô phức tạp, ta có thể mô phỏng các kiểu biểu hiện gene cho toàn bộ gene chỉ dựa vào dữ liệu từ Hệ phiên mã (transcriptome) của tế bào đơn?" BIMSB bao gồm các phòng thí nghiệm hoạt động ở các lĩnh vực chuyên môn khác nhau, cho thấy sự cần thiết của việc ứng dụng sức mạnh khoa học điện toán vào các vấn đề sinh học. Nhờ đó Viện nghiên cứu này không chỉ có một hệ thống mô hình phôi Drosophila hoàn hảo để giải đáp cho câu hỏi của Rajewsky, mà còn có nguồn nhân lực đúng người đúng chuyên môn, từ vật lý và toán học đến sinh học và sinh học phát triển.

 Theo Nikolaus Rajewsky, trưởng Phòng thí nghiệm Nhân tố điều hòa gene trong Sinh học Hệ thống (Systems Biology of Gene Regulatory Elements Lab), người đang hứng thú được trở lại nghiên cứu sự phát triển của ruồi giấm 15 năm sau khi kết thúc công trình nghiên cứu hậu Tiến sĩ về các yếu tố điều hoà gene trong phôi Drosophila tại Đại học Rockefeller, "Dự án phôi ảo không chỉ đơn thuần là một công việc lập bản đồ tế bào”. Sử dụng cơ sở dữ liệu DVEX (database Virtual Expression eXplorer) phân tích các tương tác trên Drosophila, giờ đây các nhà nghiên cứu có thể quan sát bất kỳ gene nào trong khoảng 8.000 gene biểu hiện ở mỗi tế bào và đặt câu hỏi "Gene X, đang được biểu hiện ở đâu và ở mức độ nào? Những gene nào khác đang hoạt động ở cùng thời điểm và trong cùng một tế bào?". Phương pháp này cũng có thể dùng được với các đoạn RNA không mã hóa “bí ẩn”. Rajewsky cho biết: "Thay vì tốn thời gian cho các thí nghiệm trên hình ảnh thực nghiệm, các nhà khoa học có thể thực hiện những phân tích trên mô hình ảo để xác định những nhân tố điều hòa mới và thậm chí đưa ra giả thuyết về các cơ chế sinh học. Những công việc vốn mất nhiều năm nếu áp dụng những hướng tiếp cận bình thường thì nay có thể được thực hiện trong một vài giờ."

Sự phá vỡ tính đồng bộ ở những lần phân bào đầu tiên

Trong bài báo, các nhà nghiên cứu thuộc MDC mô tả hàng chục các yếu tố phiên mã mới và rất nhiều đoạn RNA dài không mã hóa mà chưa từng được nghiên cứu trước đây. Nhóm cũng đề xuất một câu trả lời cho câu hỏi đã làm các nhà khoa học bối rối trong suốt 35 năm qua: Bằng cách nào mà phôi có thể phá vỡ tính đồng bộ của các tế bào để phát triển thành các cấu trúc phức tạp hơn?

Trong quá trình hình thành phôi vị (gastrulation), các lớp tế bào mầm chuyên biệt được hình thành và các tế bào bị “giới hạn” vào loại mô và cơ quan mà chúng có thể biệt hóa thành. Rajewsky cho biết: "Chúng tôi tin rằng con đường truyền tín hiệu Hippo ít nhất cũng có một phần vai trò trong sự sắp xếp hình thành phôi vị này". Con đường truyền tín hiệu này kiểm soát kích thước nội quan, chu kỳ tế bào và sự tăng sinh tế bào, nhưng chưa bao giờ được đề cập đến trong sự phát triển phôi ở giai đoạn sớm. "Chúng tôi không chỉ chứng minh rằng con đường truyền tín hiệu Hippo được hoạt hóa ở ruồi giấm, mà thậm chí chúng tôi có thể dự đoán được vùng nào của phôi sẽ khởi động quá trình nguyên phân khác biệt so với các vùng còn lại và từ đó phá vỡ tính đồng bộ trong các tế bào phôi. Và đây chỉ là một ví dụ cho thấy công cụ của chúng tôi hữu ích như thế nào trong quá trình nghiên cứu các cơ chế sinh học, và công cụ này đã vượt ra khỏi khoa học truyền thống."

Dự án nghiên cứu đã trải qua thời kỳ “thai nghén” khó khăn

Khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tạo phôi ảo, họ không biết liệu nó có khả thi hay không. Trụ cột then chốt cho thành công sau cùng của nhóm nghiên cứu là công nghệ Drop-Seq, một phương pháp vi kênh dẫn (microfluidic) dựa trên kỹ thuật nhỏ giọt (droplet), cho phép thu thập thông tin phiên mã (transcriptional profiling) của hàng ngàn tế bào đơn với chi phí thấp. Kỹ thuật này mới được thiết lập tại phòng thí nghiệm của Rajewsky do Jonathan Alles, một sinh viên thực tập hè ngắn hạn.

Tuy nhiên, các phôi ruồi cần được lựa chọn chính xác khi bắt đầu hình thành phôi vị. Philipp Wahle, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Robert Zinzen, đã chọn tay khoảng 5.000 phôi trước khi tách chúng thành các tế bào đơn. Wahle nói: "Tôi tin rằng việc này sẽ cung cấp cho chúng ta một bộ dữ liệu lớn và duy nhất. Đó là một động lực tuyệt vời cho tôi.”. Quá trình chọn lọc gian khổ này tạo ra một thách thức mới. "Cần thu thập nhiều lần để có đủ nguyên liệu cho một lần giải trình tự" theo Christine Kocks, người đứng đầu nhóm giải trình tự tế bào đơn. Nhóm này gồm Jonathan Alles, Salah Ayoub và Anastasiya Boltengagen, cùng với nhà điện toán học Nikos Karaiskos đã tối ưu hóa phương pháp giải trình tự theo giọt (droplet-based sequencing). Kocks cho biết thêm: "Vì vậy, chúng tôi phải tìm một cách để ổn định các hệ phiên mã trong các tế bào. Cuối cùng, dựa trên kinh nghiệm làm việc với phôi C. elegans của mình, Nikolaus đã đề nghị sử dụng methanol”. Phương pháp cố định tế bào đơn mới của nhóm đã được công bố trên tạp chí BMC Biology vào tháng 5 năm 2017.

Khi dữ liệu dần tốt hơn, Nikos Karaiskos, nhà vật lý lý thuyết và chuyên gia điện toán trong phòng thí nghiệm của Rajewsky, đã thực hiện công việc đầy khó khăn là lập bản đồ không gian 3 chiều cho một lượng lớn tế bào vào vị trí chính xác trong phôi của chúng. Không có phương pháp tiếp cận hiện tại nào trong lĩnh vực hệ phiên mã không gian 3 chiều (spatial transcriptomics) thích hợp để tái tạo phôi Drosophila. Karaiskos nói: "Đó là một quá trình lặp lại liên tục để lọc dữ liệu, đánh giá nội dung bên trong và nỗ lực lập bản đồ. Nó đã được thay đổi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu”. Có rất nhiều sự trao đổi qua lại giữa các thành viên của phòng điện toán và phòng thí nghiệm - đó là một đặc trưng của BIMSB. "Tôi đã luôn phải đặt câu hỏi cho công việc của mình, xem còn điều gì thiết sót và phát triển gì đó tốt hơn". Ông đã đưa ra một thuật toán mới gọi là DistMap mà có thể sắp xếp các dữ liệu hệ phiên mã của tế bào vào đúng vị trí ban đầu trong phôi ảo.

Phát triển các hướng nghiên cứu mới

Việc xây dựng phôi ảo cho phép Karaiskos dễ dàng dự đoán sự biểu hiện của hàng ngàn gene, một công việc gần như không thể thực hiện được bằng các phương pháp thực nghiệm truyền thống. Philipp Wahle, cùng với sự hỗ trợ của Claudia Kipar, đã kiểm chứng những dự đoán này bằng cách kiểm tra sự biểu hiện gene trong phòng thí nghiệm theo phương pháp truyền thống: lai tại chỗ (In situ hybridization), phương pháp cho phép hiện màu các kiểu biểu hiện gene bằng thuốc nhuộm màu dưới kính hiển vi. Wahle cho biết: "Ở giai đoạn này, chỉ có một lớp tế bào duy nhất bao quanh toàn bộ phôi ruồi. Điều này khiến chúng dễ dàng được tiếp cận hơn và nhờ đó, cho phép chúng ta so sánh dữ liệu từ máy tính với hình ảnh thực nghiệm."

Lần đầu tiên chúng ta có thể quan sát được khoảng 6.000 tế bào của từng phôi, đánh giá biểu hiện gene của chúng và hiểu được điều gì quyết định “hành vi” (behavior) tế bào trong phôi. Các nhà khoa học cho biết: "Tiến bộ công nghệ quan trọng nhất của nghiên cứu này là chúng tôi không làm mất các dữ liệu không gian (spatial information) cần thiết để hiểu rõ cách hoạt động của các tế bào phôi. Đây thực sự là lĩnh vực chưa từng được nghiên cứu và đòi hỏi những cách tiếp cận Tin - Sinh học mới để hiểu rõ những dữ liệu thu thập được. Công việc này được thực hiện hiệu quả với sự hợp tác của chúng tôi, ít nhất là nhờ vào thiết kế đặc biệt của phòng thí nghiệm của Rajewsky, kết hợp giữa thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và ứng dụng công nghệ điện toán".  Rajewsky nói: “Một lợi thế lớn là cả hai nhóm không chỉ quan tâm đến công nghệ mà còn có những vấn đề sinh học cụ thể làm động lực thúc đẩy họ. Robert có hiểu biết sâu sắc về sự phát triển phôi ruồi ở giai đoạn sớm. Chúng tôi có thể thực hiện việc giải trình tự các tế bào đơn và dùng năng lực điện toán để phát triển các công cụ giúp chúng tôi hiểu rõ các tương tác điều hòa gene tiềm ẩn.”

Nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch cho dự án tiếp theo. Một dự án sẽ là lập bản đồ các tế bào tại các thời điểm khác nhau để đánh giá cách các tế bào hoạt động để hình thành cơ quan và mô. Một hướng khác là kiểm tra liệu phương pháp lập bản đồ có thể áp dụng cho các mô phức tạp hơn hay không.