Bài viết khám phá cách các gen sử dụng lực bề mặt và cơ học, chẳng hạn như hiệu ứng Marangoni, để định hình phôi và tăng trưởng mô. Qua nhiều thí nghiệm và quan sát, nghiên cứu chỉ ra cơ chế tương tác chặt chẽ giữa vật lý và sinh học trong quá trình phát triển sinh vật.
Điểm nổi bật:
- Gen tận dụng lực cơ học như hiệu ứng Marangoni trong phát triển phôi.
- Lực cơ học phối hợp với tín hiệu hóa học để định hình mô.
- Mô tế bào chảy theo mô hình Marangoni giống chất lỏng.
- Nghiên cứu hồi sinh các mô hình sinh học trước-gen.
- Sự kéo giãn tế bào phụ thuộc vào thời gian và tác động của actin.
Các Gen Đã Khai Thác Vật Lý Học Để Phát Triển Sinh Vật Sống
Uống một ly rượu vang, bạn sẽ nhận thấy chất lỏng liên tục rơi xuống thành ly ướt. Năm 1855, James Thomson, em trai của Lord Kelvin, đã giải thích trong Philosophical Magazine rằng “những giọt nước mắt” hoặc “chân rượu” này xuất phát từ sự khác biệt về lực căng bề mặt giữa rượu và nước. Thomson viết: “Hiện tượng này cho phép giải thích một số chuyển động rất thú vị.”
Ít ai biết rằng hiệu ứng này, sau được đặt tên là hiệu ứng Marangoni, cũng có thể định hình cách phôi phát triển.
Vào tháng Ba năm nay, một nhóm nhà vật lý sinh học ở Pháp đã báo cáo rằng hiệu ứng Marangoni chịu trách nhiệm cho khoảnh khắc quan trọng khi một khối tế bào đồng nhất kéo dài và hình thành trục đầu–đuôi — những đặc điểm đầu tiên xác định hình dạng của sinh vật.
Nghiên cứu này mở ra xu hướng mới trong sinh học, nơi cơ học được xem xét như một yếu tố then chốt bên cạnh các tín hiệu hóa học truyền thống. Giờ đây, các nhà khoa học hiểu rằng lực đẩy và kéo lên mô tế bào, dựa trên tính chất vật liệu của chúng, cũng định hướng sự phát triển theo những cách mà gene không thể làm được một mình.
Modern imaging và các kỹ thuật đo lường tiên tiến đã cung cấp dữ liệu phong phú để giải thích cơ học. “Điều đã thay đổi trong những thập kỷ qua là khả năng quan sát trực tiếp chuyển động tế bào, tái sắp xếp tế bào, và sự tăng trưởng mô,” Pierre-François Lenne của Đại học Aix Marseille cho biết.
Thời điểm này đánh dấu một sự trở lại của các mô hình sinh học trước-gen như trong tác phẩm On Growth and Form (1917) của D’Arcy Thompson, người cho rằng vật lý cũng định hình sinh vật.
Phát Triển Theo Dòng Chảy
Nhóm của Lenne quan sát chuyển động tế bào trong các gastruloid chuột — đoàn tế bào gốc mô phỏng giai đoạn đầu phát triển phôi.
Sham Tlili (trái), Pierre-François Lenne (phải) và các đồng nghiệp từ Đại học Aix Marseille đã khám phá ra mô hình dòng chảy giống hiệu ứng Marangoni trong giai đoạn đầu phôi phát triển.
Quan sát cho thấy tế bào dâng lên thành gastruloid rồi chảy xuống giữa, tương tự như rượu chảy lên thành ly rồi nhỏ giọt xuống. Mô hình Marangoni xuất hiện khi nồng độ hai protein khác nhau tạo ra chênh lệch lực căng, đẩy mô di chuyển quanh ngoại vi và quay lại tâm, kéo dài khối tế bào.
Ảnh: Mark Belan/Quanta Magazine; Nguồn: Pierre-François Lenne
Quy Mô Từ Lượng Giọt Đến Tế Bào
Năm 2017, Alan Rodrigues và Amy Shyer tại Đại học Rockefeller nghi ngờ lực kéo căng đóng vai trò quan trọng trong sự phân bố đều lông vũ ở chim. Họ phát hiện morphogen ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của mô, tạo điều kiện cho lực cơ học hình thành chân nang lông.
Phản Hồi Như Lò Xo
Trong quá trình phát triển phôi ruồi giấm, tế bào không chỉ tái sắp xếp mà còn kéo giãn như lò xo. Nghiên cứu mới giải thích sự phụ thuộc vào thời gian của phản hồi đàn hồi dựa trên sản xuất actin — khi ngăn chặn quá trình tổng hợp actin, phản hồi đàn hồi hầu như biến mất.
Có thể bạn quan tâm
Hướng Nhìn Cho Việt Nam
Việc khám phá vai trò của lực cơ học như hiệu ứng Marangoni trong phát triển phôi mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho các viện sinh học và công ty công nghệ sinh học tại Việt Nam. Những hiểu biết này có thể giúp cải thiện quy trình nuôi cấy mô, sinh tổng hợp, và phát triển dược phẩm tái tạo. Việc ứng dụng kỹ thuật hình ảnh tiên tiến cùng mô hình cơ học sẽ nâng cao năng lực nghiên cứu cơ sở, đồng thời tạo cơ hội hợp tác quốc tế, đưa Việt Nam lên bản đồ khoa học thế giới.
