Công nghệ siêu hiển vi hé lộ cấu trúc chưa từng biết trong tế bào

Theo Live Science, cấu trúc này có thể đóng vai trò như một trung tâm tái chế nội bào, giúp kiểm soát việc phân loại và loại bỏ protein, hoạt động then chốt trong duy trì chức năng tế bào. Đặc biệt, phát hiện này chỉ được thực hiện nhờ kỹ thuật hình ảnh tiên tiến cryo-ET, một công nghệ chụp ảnh tế bào bằng kính hiển vi điện tử đông lạnh với độ phân giải cao.

Các cấu trúc màu xanh lá và cam trong hình là hemifusome, những bào quan mới được phát hiện có thể đại diện cho một con đường tái chế chưa được nhận biết trước đây trong tế bào người - Ảnh: UVA Health

Hemifusome được phát hiện bởi nhóm nghiên cứu do Giáo sư Seham Ebrahim tại Đại học Virginia (Mỹ) dẫn đầu. Trong quá trình quan sát các sợi tế bào liên quan đến hình dạng và kết cấu tế bào, nhóm của bà đã phát hiện một cấu trúc xuất hiện đều đặn nhưng chưa từng được mô tả trước đó. Ban đầu bị nghi ngờ là hiện vật hình ảnh, các “lỗi” phổ biến trong quá trình quét mẫu, cấu trúc này sau khi được xác nhận lại chính là một bào quan chưa từng được biết tới.

Bà Ebrahim mô tả hemifusome có hình dạng giống một “người tuyết đội khăn quàng cổ”, với một phần đầu nhỏ nối liền phần thân lớn hơn bằng một viền mỏng. Cấu trúc này có đường kính chỉ khoảng 100 nanomet, nhỏ hơn một nửa so với ty thể, khiến nó gần như không thể nhìn thấy bằng các phương pháp quan sát truyền thống. Nhờ ứng dụng công nghệ cryo-ET, nhóm nghiên cứu có thể “đóng băng” các mẫu tế bào trong trạng thái gần tự nhiên nhất, từ đó thu được hình ảnh 3D có độ phân giải cực cao mà không cần dùng đến các chất nhuộm hay xử lý hóa học.

Cryo-ET hoạt động bằng cách làm lạnh nhanh tế bào nuôi cấy trong trường hợp này là từ bốn dòng tế bào khác nhau, giữ nguyên hình dạng và cấu trúc phân tử. Theo giáo sư Ebrahim, kỹ thuật này cho phép “chụp nhanh” một khoảnh khắc trong đời sống tế bào, giống như nhìn vào một quả cầu thủy tinh, nơi mọi chi tiết vẫn còn nguyên vẹn.

Cũng nhờ công nghệ này mà nhóm nghiên cứu quan sát được một hiện tượng sinh học chưa từng ghi nhận trước đây: hai túi tế bào hợp nhất một phần bằng một lớp màng lipid kép, cấu trúc đặc trưng của màng sinh học. Ebrahim cho biết, từ góc độ vật lý sinh học, đây là bằng chứng trực quan đầu tiên về trạng thái “hợp nhất nửa” (hemifusion) trong môi trường tế bào sống. Điều này giải thích lý do tại sao bào quan mới được gọi là hemifusome, bắt nguồn từ thuật ngữ “hemifusion”.

Trong bài báo đăng trên Nature Communications tháng 5 vừa qua, các nhà nghiên cứu lập luận rằng hemifusome là một bào quan thực thụ vì nó không xuất hiện nhất thời như các cấu trúc tạm thời khác trong quá trình phân chia màng. Theo đó, hemifusome đáp ứng tiêu chí là đơn vị chức năng độc lập bên trong tế bào, có thể đảm nhận vai trò cụ thể, lâu dài.

Bên cạnh những quan sát định hình, nhóm nghiên cứu hiện vẫn đang tìm hiểu vai trò chính xác, thành phần cấu tạo cũng như vòng đời của hemifusome. Một giả thuyết được nhà khoa học Ebrahim đưa ra là hemifusome có thể là tiền thân của một số loại túi vận chuyển nội bào, đặc biệt trong quá trình xử lý và tái chế màng tế bào, một hoạt động sinh học quan trọng để duy trì sự thông suốt và không bị tích tụ rác thải bên trong tế bào.

Nếu hemifusome thực sự đóng vai trò trong việc loại bỏ hoặc tái chế protein dư thừa, thì việc hiểu sâu hơn về nó có thể giúp giải mã các cơ chế bệnh lý phức tạp như alzheimer. Bệnh alzheimer đã được chứng minh có liên quan đến việc tích tụ các mảng protein bất thường do hệ thống loại bỏ protein hoạt động không hiệu quả. Do đó, một bào quan liên quan đến tái chế protein như hemifusome có thể trở thành chìa khóa để khám phá cách ngăn ngừa hoặc làm chậm sự tiến triển của bệnh.

Các chuyên gia độc lập cũng đánh giá cao phát hiện này. Theo giáo sư Yi-Wei Chang từ Đại học Pennsylvania (Mỹ), người không tham gia nghiên cứu, hình ảnh thu được “cho thấy hemifusome là một thực thể trung gian có thật, chứ không phải sản phẩm phụ do kỹ thuật đóng băng gây ra”. Chang cho rằng nếu chức năng và vai trò của hemifusome được xác nhận trong các nghiên cứu tiếp theo, đây sẽ là một phân loại cấu trúc tế bào hoàn toàn mới.

Hemifusome cũng hé lộ những giới hạn hiện tại của công nghệ hình ảnh sinh học. Các phương pháp truyền thống như kính hiển vi quang học hoặc huỳnh quang không thể nhận ra hemifusome vì nó quá nhỏ và quá mờ để phân biệt rõ. Chỉ khi sử dụng cryo-ET vốn có khả năng chụp ảnh ở cấp độ nguyên tử - các chi tiết mới trở nên rõ ràng. Điều này mở ra tiềm năng cho một loạt khám phá mới nếu công nghệ cryo-ET tiếp tục được ứng dụng rộng rãi.

Ebrahim kết luận rằng “nếu không có cryo-ET, chúng ta sẽ bỏ lỡ khám phá này” và cho rằng “vẫn còn cả một thế giới vi mô chưa được khám phá trong lòng tế bào”. Phát hiện hemifusome không chỉ là một bước tiến về kiến thức sinh học, mà còn là minh chứng cho sức mạnh của công nghệ hình ảnh trong việc mở rộng giới hạn hiểu biết của con người về bản chất sự sống.

Hoàng Vũ