Giải mã được bí ẩn: Làm cách nào các tế bào thực vật biết thời điểm ngừng phát triển?

Từ lâu, có một câu hỏi đã làm đau đầu bao thế hệ các nhà sinh học: làm cách nào các tế bào biết được chúng đã đủ lớn?

Robert Sablowski, một nhà sinh vật học chuyên nghiên cứu tế bào thực vật tại Trung tâm John Innes, Norwick, Anh đã có phát hiện này sau khi vô tình xem lại dữ liệu cũ trên máy tính. Anh từng có một dự án nghiên cứu một protein có tên gọi KRP4. 

Bằng cách kết hợp nó với một protein từ sứa phát sáng, Sablowski có thể theo dõi hoạt động của protein trong tế bào thực vật, nhưng anh không ngờ đây lại là mấu chốt cho qua trình điều hòa kích thước thế bào.

Phát hiện này có thể đem lại tác động lớn lên các nghiên cứu về tế bào cả thực vật lẫn động vật, cũng như quyết định tương lai ngành nông nghiệp.

Để các sinh vật có thể phát triển, các tế bào cần trải qua một quá trình phát triển , sao chép DNA và phân chia. Nhưng các nhà khoa học khi nghiên cứu quá trình này từ lâu đã để ý rằng sự phân chia không nhất thiết tạo ra các tế bào y như đúc - đôi khi chúng khá lệch lạc, và kích thước tế bào được điều chỉnh lại sau đó. 

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí Science tháng trước, Sablowski và đồng nghiệp đã tiết lộ cách mà thực vật thực hiện sự điều chỉnh này: Các tế bào sử dụng chính DNA làm thước đo.

Sablowski cho biết, các tế bào cần một vật với kích thước không đổi làm thước đo và đó chính là DNA. DNA không thay đổi chiều dài tỉ lệ thuận với sự tăng trưởng của tế bào.

Martin Howard, người đã giúp phát triển các công thức toán học dùng trong nghiên cứu nhận xét “Từ lâu đây vẫn luôn là ẩn số trong ngành sinh học, ai cũng thắc mắc làm thế nào các tế bào tự nhận biết kích thước của mình?”. 

Sự điều chỉnh kích cỡ tế bào là một chức năng quan trọng: nếu tế bào quá lớn nó có thể gây khó khăn cho việc trích xuất thông tin di truyền, nếu quá nhỏ thì tế bào không có đủ không gian để phân chia, gây ra lỗi và dẫn đến các bệnh lý.

Khi quan sát tế bào thực vật ở độ phóng 1000X, nhóm nghiên cứu tập trung quan sát hành vi của protein KRP4, có vai trò kiểm soát thời lượng của giai đoạn phát triển trước giai đoạn nhân bản DNA. Trong quá trình phát triển, nhóm phát hiện KRP4 trôi tự do trong nhân tế bào, ngăn không cho tế bào phân chia quá sớm.

Tuy nhiên, ngay trước bước phân chia, nhóm nhận thấy KRP4 không còn trôi tự do mà đã gắn vào DNA tế bào để đảm bảo hai tế bào con nhận được lượng protein tương đương. Sablowski cho biết DNA giống như thước đo, nó được phép lấy ra một lượng KRP4 nhất định từ kho protein của tế bào. Mọi KRP4 còn lại bên trong tế bào sẽ bị xóa sổ bởi một protein khác ngay trước bước phân chia. Chu kỳ này sẽ lặp lại với các tế bào con mới.

Thí nghiệm xác nhận nếu protein điều hòa lượng KRP4 trong nhân tế bào bị phá hủy, kích cỡ tế bào trở nên bất thường. Điều này củng cố kết luận vai trò của KRP4 trong quá trình điều hòa kích thước tế bào.

Các nhà khoa học tỏ ra hứng thú với phát hiện này và ứng dụng trong khả năng tăng cường sản lượng trong nông nghiệp. Trong quá trình lai tạo và trồng trọt, con người đã chọn lọc các giống có tế bào lớn, do điều này thường cũng có nghĩa là giống cho quả và hạt lớn hơn. 

Thực vật lớn hơn cũng có thể giúp ích cho việc tạo ra năng lượng sinh học. Neelima Sinha, một nhà thực vật học tại Đại học California, Davis, tỏ ra hứng thú: “Nguồn năng lượng tối ưu đối với hành tinh chúng ta chính là Mặt Trời. Và gần như mọi dạng năng lượng chúng ta sử dụng đều được chuyển đổi nhờ thực vật. Ngay cả năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than cũng là những tàn dư của lớp thực vật cổ đại.”

Thực vật lớn hơn cũng giúp ích cho bầu khí quyển, lưu giữ lại nhiều carbon hơn dưới đất. Theo Sinha, “mấu chốt là ở khối lượng thực vật. Và điều đó có được là nhờ sự phát triển và phân chia tế bào.”

Các nhà khoa học tại Trung tâm John Innes cũng hiểu tiềm năng lớn hơn của phát hiện này. “Hiểu được những cơ chế trên thực vật cũng giúp định hướng cho nghiên cứu tương tự trên người”, theo Sablowski. Anh cho biết gần đây đã đọc về các nghiên cứu gợi ý một cơ chế điều hòa kích thước tương tự trên tế bào người, trong đó protein chủ chốt có chức năng chống ung thư mà khi bị vô hiệu hóa, gây ra nhiều loại ung thư.