Từ lâu, chết tế bào được coi là một hiện tượng tất yếu, không thể đảo ngược, khi một tế bào ngừng hoạt động và không thể tiếp tục tồn tại. Trong cơ thể sinh vật, quá trình này đóng vai trò quan trọng để duy trì cân bằng sinh học, loại bỏ các tế bào già cỗi hoặc bị tổn thương.
Tuy nhiên, việc định nghĩa "chết" một cách chính xác không phải là điều dễ dàng. Ở cấp độ sinh học phân tử, một tế bào có thể ngừng trao đổi chất, mất chức năng hoặc không thể phục hồi về trạng thái sống. Nhưng từ góc độ toán học, làm thế nào để định lượng hoặc xác định ranh giới rõ ràng giữa trạng thái "sống" và "chết"? Đây là câu hỏi đã làm đau đầu nhiều nhà khoa học.
Nhận thấy lỗ hổng này, nhóm nghiên cứu của trợ lý giáo sư Yusuke Himeoka tại Đại học Tokyo đã quyết định tiếp cận vấn đề từ một hướng mới: sử dụng các mô hình toán học để định nghĩa và đo lường trạng thái chết của tế bào.
Chết tế bào là một trong những khái niệm nền tảng của sinh học, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phát triển, duy trì cơ thể và nhiều hiện tượng tự nhiên khác. Tuy nhiên, trong suốt hàng thế kỷ nghiên cứu, giới khoa học vẫn chưa đạt được sự thống nhất về định nghĩa cụ thể của chết tế bào, đặc biệt khi tiếp cận từ góc độ toán học.
Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một định nghĩa mới dựa trên khả năng quay trở lại trạng thái sống của tế bào. Theo đó, chết tế bào được định nghĩa là trạng thái mà tế bào không thể phục hồi để đạt tới "trạng thái tồn tại đại diện" – một trạng thái mà các nhà nghiên cứu công nhận là "sống".
Nói cách khác, trong trạng thái chết, bất kể các tác động từ bên ngoài như điều chỉnh sinh hóa hoặc kích thích enzyme, tế bào không còn khả năng quay trở lại trạng thái hoạt động bình thường. Định nghĩa này không chỉ tập trung vào sự ngừng hoạt động của tế bào mà còn nhấn mạnh vào tính không thể đảo ngược của quá trình chết tế bào.
Trợ lý giáo sư Himeoka giải thích:
"Mục tiêu dài hạn của tôi là hiểu được ranh giới giữa sự sống và cái chết thông qua toán học. Tại sao sự chuyển đổi từ phi sự sống sang sống lại phức tạp như vậy? Và làm thế nào để chúng ta định lượng được ranh giới này?".
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Tokyo đã thay đổi cục diện này bằng việc đề xuất một cách định nghĩa mới, mang tính toán học, về chết tế bào. Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ ranh giới giữa sống và chết mà còn mở ra các cơ hội mới trong lĩnh vực y học và khoa học sự sống.
Để đưa định nghĩa này vào thực tiễn, nhóm nghiên cứu đã phát triển một công cụ tính toán được gọi là "tia cân bằng". Dựa trên các phản ứng enzyme và nguyên lý của nhiệt động lực học, công cụ này cho phép định lượng mức độ "chết" của tế bào.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học tập trung vào định luật thứ hai của nhiệt động lực học – nguyên lý chỉ ra rằng các hệ thống tự nhiên có xu hướng chuyển từ trạng thái có trật tự sang trạng thái hỗn loạn. Các phản ứng enzyme trong tế bào, vốn chịu ảnh hưởng của định luật này, đóng vai trò trung tâm trong việc xác định liệu tế bào có thể duy trì trạng thái sống hay không.
Phương pháp "tia cân bằng" phân tích khả năng của tế bào trong việc khôi phục trạng thái cân bằng sinh hóa cần thiết để tồn tại. Nếu tế bào không thể đạt tới cân bằng, nó sẽ được coi là đã chết.
Định nghĩa toán học mới này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mở ra những ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực:
Nghiên cứu ung thư: Các nhà khoa học có thể sử dụng "tia cân bằng" để phân tích và kiểm soát quá trình chết của tế bào ung thư, từ đó phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn.
Công nghệ bảo quản mô: Việc hiểu rõ hơn về ranh giới sống – chết có thể giúp cải thiện kỹ thuật bảo quản cơ quan nội tạng, hỗ trợ các ca ghép tạng.
Tái tạo tế bào: Định nghĩa toán học về chết tế bào mở ra khả năng nghiên cứu các phương pháp tái sinh tế bào hoặc đảo ngược quá trình chết trong các điều kiện nhất định.
Trợ lý giáo sư Himeoka nhận định:
"Chúng ta thường nghĩ rằng cái chết là không thể đảo ngược, nhưng điều này không hẳn đúng. Nếu có thể kiểm soát được chết tế bào, nhân loại sẽ đạt tới những đột phá mới trong hiểu biết về sự sống và xã hội".
Mặc dù nghiên cứu mang lại những bước tiến quan trọng, nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận rằng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong số đó là mở rộng phương pháp "tia cân bằng" để áp dụng cho các hệ thống tự động – những hệ thống có khả năng tự điều chỉnh như protein hoặc tế bào sống phức tạp hơn.
Ngoài ra, khả năng ứng dụng của công cụ này trong môi trường tự nhiên, nơi các điều kiện phức tạp hơn so với phòng thí nghiệm, cũng cần được kiểm chứng.
"Quyền tự điều chỉnh là một đặc điểm quan trọng của hệ thống sống," Himeoka chia sẻ. "Chúng tôi hy vọng có thể tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các hệ thống này, qua đó mở rộng phạm vi ứng dụng của công trình".
Định nghĩa toán học về chết tế bào không chỉ giải quyết một lỗ hổng quan trọng trong sinh học mà còn mang lại ý nghĩa lớn về mặt khoa học và xã hội. Nghiên cứu này cung cấp một nền tảng mới để hiểu rõ hơn về các hiện tượng sinh học phức tạp, đồng thời thúc đẩy tiến bộ trong các lĩnh vực y học, công nghệ sinh học và khoa học cơ bản.
Trong tương lai, những hiểu biết sâu sắc hơn về chết tế bào có thể dẫn đến những thay đổi đột phá, từ việc kiểm soát các bệnh lý nguy hiểm cho đến phát triển công nghệ tái sinh cơ thể. Với công trình này, Đại học Tokyo không chỉ mở ra một hướng đi mới cho nghiên cứu sinh học mà còn thay đổi cách chúng ta nhìn nhận về ranh giới sống và chết – một trong những câu hỏi cơ bản nhất của nhân loại.