Những Phát Hiện Hấp Dẫn Về Đối Xứng Mạnh Mẽ Trong Mô Tươi Sống

Phiên bản gốc của câu chuyện này xuất hiện trong Tạp chí Quanta.

Luca Giomi vẫn nhớ khoảnh khắc khi, là một sinh viên sau đại học, anh ta xem hai video về những giọt nước chảy ra từ máy in phun mực. Cả hai video đều giống nhau - ngoại trừ một cái không phải là video chút nào cả. Đó là một mô phỏng.

“Tôi đã hoàn toàn kinh ngạc,” nói Giomi, một nhà sinh học vật lý tại Đại học Leiden. “Bạn có thể dự đoán mọi thứ về những giọt mực.”

Mô phỏng được điều khiển bởi những quy luật toán học của động lực chất lỏng, mô tả cách khí và chất lỏng hoạt động. Và bây giờ, nhiều năm sau khi ngưỡng mộ những giọt mực đó, Giomi vẫn tự hỏi làm thế nào anh ta có thể đạt được mức độ chính xác đó đối với các hệ thống phức tạp hơn chút so với giọt mực.

“Ước mơ của tôi thực sự là sử dụng sức mạnh dự đoán này trong lĩnh vực sinh lý học,” ông nói.

Giomi và đồng nghiệp vừa tiến một bước quan trọng đối với mục tiêu đó. Trong một nghiên cứu được công bố trên Nature Physics, họ kết luận rằng các tấm mô nướu, tạo nên da và bao bọc các bộ phận nội tạng bên trong, hoạt động giống như tinh thể lỏng - vật liệu được sắp xếp như chất rắn nhưng chảy như chất lỏng. Để kết nối đó, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng có hai đối xứng riêng biệt tồn tại trong mô nướu. Những đối xứng khác nhau này, quyết định cách tinh thể lỏng phản ứng với lực vật lý, đơn giản xuất hiện ở các quy mô khác nhau.

Nhận thức của nhóm có thể làm cho việc áp dụng sự chính xác của mô phỏng động lực chất lỏng vào các mô sống trở nên dễ dàng hơn. Nếu như vậy, Giomi hy vọng có thể dự đoán cách các mô của con người di chuyển và biến đổi trong quá trình từ lành vết thương đến việc lan tỏa ung thư.

“Đó là một bài báo tuyệt vời,” nói Linda Hirst, một nhà vật lý tại Đại học California, Merced, người không tham gia vào công việc này. “Họ thực sự mô tả đối xứng của các tờ tế bào một cách chi tiết hơn so với trước đây.”

Dòng chảy và Đối xứng

Các tinh thể lỏng chảy như chất lỏng, nhưng vẫn có một mức độ trật tự tinh thể—một loại đối xứng hay hướng dẫn tích hợp mà giống như đường sợi gỗ. Và giống như một tấm gỗ mạnh mẽ theo chiều của nó, phản ứng của tinh thể lỏng đối với các tác nhân phụ thuộc vào đối xứng và hướng của nó. Điều này, được gọi là tính hướng, là điều kỳ diệu quang học đằng sau màn hình tinh thể lỏng hiện đại, có khả năng khuếch tán ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào hướng của chúng.

Mặc dù chúng ta có thể quen với tinh thể lỏng trong màn hình TV, chúng cũng phổ biến trong sinh học tế bào, xuất hiện bên trong tế bào và trong màng tế bào. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng chứng minh rằng các mô—nhóm tế bào tổ chức hành động cùng nhau—cũng có thể được coi là tinh thể lỏng. Nếu mô có thể được mô tả chính xác như một tinh thể lỏng, thì bộ công cụ mà các nhà vật lý sử dụng để dự đoán cách tinh thể phản ứng với lực có thể được áp dụng trong sinh học, Hirst nói.

Tuy nhiên, những nỗ lực này gặp trở ngại hình học. Người thực nghiệm và lý thuyết không thể đồng ý về đối xứng của mô—đặc điểm xác định nhất của một tinh thể lỏng, và chìa khóa để dự đoán hành vi của nó sử dụng động lực chất lỏng. Trong mô phỏng nhóm nhỏ tế bào, các nhà lý thuyết có thể mô tả các mô như tinh thể lỏng với đối xứng “hexatic” có sáu chiều, giống như việc lát gạch hexagon. Nhưng trong thực nghiệm, các mô thay vì hoạt động như chất lỏng được tạo thành từ các hạt hình thanh với đối xứng “nematic” có hai chiều—giống như bạn thấy khi đổ một thùng que vào một ống và quan sát chúng chảy.

“Có một sự mâu thuẫn: Thực nghiệm nói đối xứng nematic; thực nghiệm số và mô hình nói chung nói đối xứng hexatic,” nói Livio Carenza, một nhà vật lý tính toán tại Đại học Koç ở Istanbul. “Làm thế nào hai điều này nói chuyện với nhau?”

Mô phỏng sơ bộ của Carenza—một nghiên cứu viên trước đây trong nhóm của Giomi—đề xuất rằng mâu thuẫn có thể được giải quyết nếu cả hai đối xứng, có sáu chiều và hai chiều, tồn tại đồng thời trong các mô. Ý tưởng là nếu bạn phóng to vào một mô với đối xứng nematic, bạn sẽ tìm thấy đối xứng hexatic ở quy mô nhỏ hơn.

“Nhưng bạn không thể xác minh lý thuyết bằng lý thuyết,” Giomi nói. “Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện các thử nghiệm.”

Để làm điều đó, Giomi tuyển dụng Julia Eckert, khi đó là một sinh viên nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Leiden, để thu thập dữ liệu từ các nền văn hóa tế bào sống.

“Tôi đưa họ đến kính hiển vi và cho họ xem những tế bào thực sự, không chỉ là những tế bào họ có thể thấy trong văn học,” nói Eckert, người hiện là một nhà sinh lý học tại Đại học Queensland. “Tôi nói, ‘Bạn đã bao giờ thấy những tế bào, bạn biết đấy, trong cuộc sống thực?’ Và nó giống như ‘Chưa.’ Chưa? OK, hãy đi!”

Một Trật Tự Chất Lỏng Mới

Eckert bắt đầu bằng cách tạo ra các lớp mỏng của mô niêm mạc trong phòng thí nghiệm. Sau đó, cô chú ý đánh dấu ranh giới của từng tế bào cá nhân trong hình ảnh kính hiển vi. Bây giờ, Giomi và đội ngũ của ông có thể bắt đầu làm việc. Họ muốn xem xét xem đối xứng của mô có khác nhau giữa các quy mô nhỏ—khi họ chỉ xem xét một số tế bào và hàng xóm của chúng—và quy mô lớn khi thu phóng ra.

Nhưng để giải mã các đối xứng lồng nhau trong các tờ tế bào của Eckert, đội ngũ cần một cách đáng tin cậy để phân biệt giữa các trật tự nematic và hexatic trong dữ liệu sinh học lộn xộn.

Các nhà sinh lý học tại Leiden đã tạo ra một đối tượng toán học được gọi là một vectơ hình để ghi lại thông tin về hình dạng và hướng của các tế bào. Sử dụng nó, Eckert đo lường các đối xứng trong các mô ở các quy mô khác nhau, trước tiên coi mỗi tế bào cá nhân như đơn vị cơ bản của tinh thể và sau đó thực hiện điều tương tự cho các nhóm tế bào.

Ở quy mô nhỏ, họ phát hiện rằng mô có đối xứng xoay sáu chiều và trông giống như việc lát gạch hexagon bị nén một chút. Nhưng khi họ xem xét các nhóm lớn hơn khoảng 10 tế bào, đối xứng xoay hai chiều nổi lên. Kết quả thực nghiệm khớp chặt với mô phỏng của Carenza.

“Thật tuyệt vời khi dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng số khớp nhau đến vậy,” Eckert nói. Trên thực tế, nó khớp chặt đến nỗi phản ứng đầu tiên của Carenza là nó phải là sai. Đội ngũ đùa giỡn lo lắng rằng một người đánh giá đồng nghiệp có thể nghĩ rằng họ đã gian lận. “Thực sự đẹp đẽ như vậy,” Carenza nói.

Những quan sát trả lời một “câu hỏi lâu dài về loại trật tự hiện diện trong các mô,” nói Joshua Shaevitz, một nhà vật lý tại Đại học Princeton đã xem xét bài báo (và không nghĩ rằng họ đã gian lận). Khoa học thường “mơ hồ,” ông nói, khi dữ liệu chỉ đến các sự thật có vẻ xung đột—trong trường hợp này, các đối xứng lồng nhau. “Sau đó, có người chỉ ra hoặc chứng minh rằng, hóa ra, những thứ đó không rõ ràng. Cả hai đều đúng.”

Hình Dạng, Lực, và Chức Năng

Xác định chính xác đối xứng của một tinh thể lỏng không chỉ là bài tập toán học. Tùy thuộc vào đối xứng của nó, tensor căng—a matrix that captures how a material deforms under stress—nhìn khác nhau. Tensor này là liên kết toán học với các phương trình động lực chất lỏng mà Giomi muốn sử dụng để kết nối lực lượng vật lý và chức năng sinh học.

Đưa vật lý của tinh thể lỏng vào các mô là một cách mới để hiểu thế giới lộn xộn và phức tạp của sinh học, Hirst nói.

Ý nghĩa chính xác của sự chuyển đổi từ trật tự hexatic sang nematic vẫn chưa rõ, nhưng nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng các tế bào có thể tạo ra một mức độ kiểm soát đối với sự chuyển đổi đó. Có thậm chí có bằng chứng cho thấy sự xuất hiện của trật tự nematic có liên quan đến sự kết dính của tế bào, họ nói. Việc hiểu ra làm thế nào và tại sao các mô thể hiện hai đối xứng lồng nhau này là một dự án cho tương lai—mặc dù Giomi đã đang làm việc sử dụng kết quả để hiểu cách tế bào ung thư chảy qua cơ thể khi chúng di căn. Và Shaevitz lưu ý rằng sự lỏng lẻo đa quy mô của mô có thể liên quan đến quá trình hình thành phôi—quá trình mà phôi tự tạo hình thành thành thể.

Nếu có một ý tưởng trung tâm trong sinh lý học mô, Giomi nói, đó là cấu trúc tạo ra lực, và lực tạo ra chức năng. Nói cách khác, việc kiểm soát đối xứng đa quy mô có thể là một phần của cách mô tích tụ lên nhiều hơn tổng số tế bào của chúng.

Có “một tam giác của hình dạng, lực, và chức năng,” Giomi nói. “Tế bào sử dụng hình dạng của mình để điều chỉnh lực, và những lực này lại phục vụ như động cơ chạy của chức năng cơ học.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một xuất bản độc lập về biên tập của Quanta Magazine, được Simons Foundation ủy quyền, với sứ mệnh tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao phủ các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học vật lý và sinh học.