Protocell – tế bào nhân tạo – là những tế bào sống, hoạt động và có khả năng bắt chước bằng cách di chuyển một cách độc lập, có tương thích sinh học và hoạt động enzyme, đã được các nhà khoa học tại bang Pennsylvania, Hoa Kỳ, cải tiến để hoạt động như tế bào thật.
Do các tế bào sống khó phát triển nên đôi khi, các nhà khoa học phải nghiên cứu các tế bào tổng hợp. Tuy nhiên, những tế bào này thường có một số hạn chế vì thiếu các đặc điểm của tế bào thật. Theo ghi nhận của giáo sư kỹ thuật hóa học lỗi lạc, Darrell Velegol:”Một trong những thử thách của nghiên cứu tế bào là đôi khi rất khó để thực hiện các thí nghiệm có kiểm soát về sự chuyển động của một tế bào, đặc biệt là do hoạt động bề mặt của enzyme. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã tìm một cách đơn giản để tạo ra một tế bào nhân tạo, không thực hiện được những thứ giống như một tế bào thường, như sinh sản, có đột biến gen hoặc bất cứ thứ gì tương tự, nhưng có khả năng di chuyển một cách chủ động. Điều đó rất quan trọng, bởi cách các tế bào di chuyển ít được biết đến, đặc biệt là hoạt động của các enzyme hỗ trợ cho sự di chuyển của tế bào”.
Các protocell của nhóm được sử dụng để kiểm tra làm thế nào hoạt động của các enzyme tự nhiên như ATPase, có thể thúc đẩy sự di chuyển của các protecell. Quá trình sinh hóa của enzyme ATPase bao gồm sự chuyển đổi của ATP (adenosine triphosphate) thành sản phẩm ADP (adenosine disphosphate). ATP là một hóa chất hữu cơ, cung cấp năng lượng cho các tế bào sống, và ADP là một hợp chất hữu cơ đóng một vai trò quan trọng đối với sự giải phóng và lưu trữ năng lượng của tế bào. Tiến sĩ Subhadip Ghosh, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, giải thích:”Trong thập kỷ qua, những nỗ lực trong các thí nghiệm tương tự cho thấy enzyme được kết hợp bên trong các túi có kích thước micron, được gọi là các túi polymer, hoặc được buộc chặt trên bề mặt của các hạt cứng. Nhưng những nỗ lực đó không có sự tương đồng về mặt sinh học đáng kể như các protocell”.
Trong các thử nghiệm của nhóm nghiên cứu, các protocell có màng nhân tạo bao gồm một loại li pít tự nhiên, được gọi là phosphatidylcholine, còn các enzyme ATPase được sát nhập trực tiếp vào càc màng. “Về cơ bản, các kết quả của chúng tôi giúp cho các nhà nghiên cứu khác có được những bước đầu tiên trong việc tạo ra các tế bào nhân tạo có hoạt tính enzyme”, TS Ghosh nói. Một kết quả bất ngờ từ nghiên cứu, được công bố trực tuyến vào tháng 8/2019 trước khi công bố cuối cùng vào ngày 11/9/2019 trên tạp chí Nano Letters, đã xảy ra trong các thí nghiệm khi được thực hiện ở một chế độ phân tử đơn. Đúng như các nhà nghiên cứu dự đoán, sự di chuyển của các protocell thấp đối với nồng độ ATP thấp. Giáo sư Hóa học, Ayusman Sen, cho biết thêm: “Điều ngạc nhiên là, sự chuyển động của các protocell giảm đáng kể khi nồng độ ATP cao”. Theo các nhà nghiên cứu, điều này khác thường giống như việc nhấn lên bàn đạp ga của một chiếc ô tô và khiến phương tiện chạy chậm lại. Sau khi thực hiện các thí nghiệm có kiểm soát, các nhà nghiên cứu kết luận rằng khi nồng độ ADP cao, có thể liên kết với ATPase và ức chế hoạt động của chất nền ATP, làm giảm khả năng vận động.
- Xem thêm: Tế bào gốc – thực tế hay hoang đường?
Việc có khả năng chế tạo các protocell hoạt động bằng enzyme mở ra nhiều cơ hội mới. Với các tế bào sống di động bắt chước này, các nhà nghiên cứu muốn muốn tiết lộ các cơ chế cơ bản chi phối các động lực màng hoạt động và sự di chuyển của tế bào. Những hiểu biết hạn chế hiện tại về cách di chuyển của tế bào, bao gồm hoạt động của enzyme trong quá trình di chuyển của tế bào, các nhà nghiên cứu tin rằng công việc của họ có thể mang lại ý nghĩa quan trọng đối với các nghiên cứu trong tương lai. Farzard Mohajerani, trợ lý nghiên cứu về kỹ thuật hóa học, cho biết:”Thách thức chính là ước tính các lực cơ học thúc đẩy sự di chuyển của protocell, và phát hiện những thay đổi trong cấu trúc enzyme trong suốt quá trình đó. Việc biết rằng mối quan hệ giữa chức năng với cấu trúc đối với sự chuyển động của các protocell, sẽ cho phép sử dụng các thiết kế của chúng trong các ứng dụng thử nghiệm dùng mô sống tiềm năng như cảm biến y tế và phân tích trong phòng thí nghiệm”.
