Sử dụng thiết bị chuyển mạch ánh sáng kiểm soát tế bào

Tại Viện Vật lý Sinh học Max Planck ở Đức, nhóm nghiên cứu do Ernst Bamberg dẫn đầu đã phát triển một công tắc phân tử điều khiển bằng ánh sáng. Thiết bị này cho phép đưa tế bào vào hai trạng thái tương đối rõ ràng, gồm bật để kích hoạt hoặc tắt để kìm hãm hoạt động. Thành quả mở rộng hướng nghiên cứu Optogenetics, lĩnh vực sử dụng ánh sáng nhằm kiểm soát hoạt động của các tế bào với độ chính xác cao. Công tắc được tạo nên bằng cách kết hợp hai protein màng tế bào cảm quang, trong đó một protein đảm nhiệm chế độ bật và protein còn lại đảm nhiệm chế độ tắt. Các nhà khoa học có thể sử dụng những biến thể protein khác nhau, sau đó nối chúng thành một hệ thống thống nhất trong màng tế bào. Phương pháp này mở ra khả năng tạo ra những tế bào mới, được bổ sung nhiều tính năng kiểm soát hơn so với tế bào ban đầu. Optogenetics tận dụng các protein nhạy sáng vốn tồn tại trong lớp vỏ tế bào của một số loài tảo và vi khuẩn, nơi chúng phản ứng tự nhiên với ánh sáng. Các nhà nghiên cứu đưa những gene tương ứng vào DNA của tế bào mục tiêu, giúp tế bào bắt đầu tạo ra protein cảm quang theo thiết kế. Tùy loại protein được lựa chọn, công tắc phân tử sẽ phản ứng với những bước sóng ánh sáng khác nhau, tạo ra các tác động riêng biệt. Để hệ thống hoạt động chính xác, các gene cần được nhận dạng riêng rẽ, đồng thời tế bào phải tạo ra những bản sao tương ứng của từng protein với số lượng phù hợp. Nếu hai thành phần xuất hiện không cân bằng, công tắc có thể hoạt động kém hiệu quả hoặc không tạo được trạng thái bật, tắt rõ ràng. Vì vậy, việc kiểm soát vị trí gene, số lượng bản sao protein và cách chúng kết hợp giữ vai trò quan trọng trong thiết kế tế bào. Nhóm nghiên cứu đề xuất đặt gene điều khiển chế độ bật, tắt của protein trên cùng một phần DNA với một gene bổ sung khác. Gene bổ sung này mang hướng dẫn lắp ráp một mảnh kết nối, giúp liên kết hai protein chuyển mạch nằm trong màng tế bào. Protein xen vào đóng vai trò như bộ phận giữ chặt hai thành phần, nhờ đó ánh sáng có thể điều khiển tế bào ổn định và chính xác hơn. Mẫu công tắc được tạo ra từ các protein màng của hai loài tảo xanh đơn bào, gồm channelrhodopsin-2 và halorhodopsin. Channelrhodopsin-2 phản ứng với ánh sáng xanh dương bằng cách mở đường cho các ion mang điện tích dương đi qua thành tế bào. Dòng ion dương này tạo ra một xung động thần kinh, từ đó kích hoạt hoạt động của tế bào được điều khiển. Thành phần thứ hai, halorhodopsin, được các nhà khoa học cô lập từ vi khuẩn Natromonas pharaonis, dù bài viết mô tả nó trong nhóm protein liên quan đến tảo xanh đơn bào. Khi tế bào chứa protein này được chiếu bằng ánh sáng màu cam, các ion mang điện tích âm có thể đi qua màng tế bào. Tác động ngược chiều đó kìm nén xung thần kinh, tạo trạng thái tắt đối lập với hiệu ứng kích hoạt của ánh sáng xanh dương. Cách kết hợp hai protein cho thấy ánh sáng có thể thay thế những tín hiệu điều khiển phức tạp bằng các xung chiếu có màu sắc và bước sóng phù hợp. Ernst Bamberg nhận định rằng việc liên kết những protein khác nhau theo yêu cầu sẽ giúp kiểm soát tế bào với độ chính xác lớn hơn trong tương lai. Nghiên cứu vì thế cung cấp một hướng tiếp cận đáng chú ý cho Optogenetics, nơi thiết kế gene, protein màng và ánh sáng cùng tạo nên công cụ điều khiển tế bào.