[Cell biology] Sợ lược về tế bào phần 2

Chào các bạn, đây là phần tiếp theo của bài:

Nội dung chính bài này sẽ về các loại kính hiển vi và cách mà ba nhánh lớn của sinh học tế bào được hình thành và phát triển như thế nào!

Hope you enjoy it!

Nói cho đúng, tế bào học chính là nghiên cứu về tế bào. Nhưng về mặt lịch sử, tế bào học lại chủ yếu đi giải quyết các vấn đề về cấu trúc của tế, chủ yếu thông qua các kỹ thuật quang học. Ở đây, ta sẽ mô tả sơ lược một vài loại kính hiển vi quan trọng trong sinh học tế bào.

Kính hiển vi ánh sáng là một trong những công cụ đầu tiên của các nhà tế bào học và cũng sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng làm sáng tỏ các cấu trúc tế bào. KHVAS giúp các nhà tế bào học nhận diện được cấu trúc liên kết màng như là nhân (nuclei), mitochondria (ti thể) và chloroplast (diệp lục) trong nhiều loại tế bào. Những cấu trúc được gọi là bào quan (organelles) “little organs” và chúng đóng vai trò rất quan trọng trong hầu hết các loại tế bào thực và động vật (không có vi khuẩn). 

Những cải tiến vô cùng quan trọng khác bao gồm sự phát triển của máy cắt vi mô vào giữa thế kỷ XVIII và sự góp mặt của các loại thuốc nhuộm và thuốc màu vào cùng một thời điểm. Máy cắt vi mô (microtome) là một công cụ dùng để chuẩn bị nhanh và hiệu quả những vết cắt mô mỏng (vài micromet) của mẫu. Một số loại thuốc nhuộm quan trọng được dùng để nhuộm và nhận dạng những cấu trúc dưới tế bào (subcellular) đã được phát triển trong nửa sau thế kỷ XIX bởi nhà hóa học làm việc với dẫn xuất nhựa và than đá trong nhà máy công nghiệp Đức.

Cùng với những cải tiến về quang học và sự tinh vi của các thấu kính, những bước tiến này đã giúp mở rộng KHVAS đạt đến các giới hạn vật lý độ phân giải được quy định bởi kích thước bước sóng của ánh sáng nhìn thấy. Trong việc sử dụng kính hiển vi, giới hạn độ phân giải đề cập khoảng cách các đối tượng liền kề phải được phân biệt như các thực thể riêng biệt. Ví dụ, nếu giới hạn độ phân giải của kính hiển vi là 400 nanomet, thì có nghĩa là các vật thể phải cách xa nhau ít nhất 400 nm để có thể được nhận diện là hai thực thể tách biệt. Khi giới hạn phân giải càng nhỏ thì khả năng nhận diện các chi tiết nhỏ của cấu trúc vật thể qua kính hiển vi. Vì vậy, một chiếc kính hiển vi tốt có độ phân giải thường khoảng 200nm, có nghĩa là có thể phân biệt được những vật thể cách nhau 200nm trong không gian. Vì tính chất vậy lý tự nhiên của ánh sáng giới hạn lý thuyết của độ phân giải của kính hiển vi ánh sáng có kích thước bằng một nửa kích thước của bước sóng ánh sáng dùng để chiếu sáng mà ta nhìn thấy hằng ngày, cho độ phóng đại đạt khoảng 1000-1500x. Đối với ánh sáng nhìn thấy (400-700nm), giới hạn độ phân giải ở khoảng 200-350nm. Ở hình dưới đây sẽ là mô tả phạm vi mà KHVAS có thể dùng so với độ phân giải của mắt thường và của kính hiển vi điện tử, cái mà mình sẽ đề cập ngay sau đây.

Hình dung về tế bào. Kính hiển vi đã được mô tả được tế bào cho đến nay là kính hiển vi trường sáng (bright field microscope) bởi vì ánh sáng trắng có thể xuyên thẳng qua một mẫu vật dù có được nhuộm hay không và phần bối cảnh (trường) được chiếu sáng. Một giới hạn quan trọng của cách tiếp cận này là mẫu phải được cố định bằng hóa chất, làm khô, nhuộm với pafranin (thuốc nhuộm hồng) hoặc plastic, mẫu sẽ được cắt thành các phần mỏng rồi nhuộm để làm nổi bật các bộ phận, cơ quan của vật mẫu. Các mẫu cố định và nhuộm thường là các mẫu vật đã chết, vì vậy các đặc điểm quan sát được của mẫu bằng phương  pháp này có thể bị biến dạng do quá trình chuẩn bị cắt mẫu và sẽ không thể làm điển hình cho một tế bào sống. Để vượt qua nhược điểm này, nhiều kỹ thuật quang học đặc biệc đã được phát triển cho việc quan sát trực tiếp vào mẫu tế bào sống. Chúng bao gồm kính hiển vi tương phản (phase-constract microscope), kính hiển vi tương phản giao thoa (differential interference microscope), kính huyển vi huỳnh quanh (fluorescence microscope) và kính hiển vi đồng tiêu (confocal microscope). Trong bảng dưới đây, bạn có thể quan sát hình ảnh nhìn thấy được trên các kỹ thuật này và so sánh chúng với những hình ảnh của kính hiển vi trường sáng cho cả vật nhuộm màu.

Độ tương phản theo pha và độ tương phản vi sai của kính hiển vi giúp cho ta có thể nhìn các tế bào sống vô cùng rõ ràng. Hai kỹ thuật đều nâng cao và khuyếch đại những thay đổi nhỏ trong pha ánh sáng truyền qua một cấu trúc có chiếc suất (refractive index) khác nhau (một phần dựa trên mật độ) so với môi trường xung quanh. Kính hiển vi huỳnh quang là một trong những công cụ tối ưu cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện các proteins, trình tự DNA hay là các phân tử khác phát quang thông qua các quá trình ghép mẫu với thuốc nhuộm hoặc liên kết chúng thành kháng thể được đánh dấu huỳnh quang. Bằng cách sử dụng cùng một lúc nhiều loại thuốc nhuộm hoặc kháng thể, mỗi loại sẽ phát ra ánh sáng với các màu khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi sự phân bố của các loại phân tử khác nhau trong cùng một trình tự DNA được đánh dấu huỳnh quang để xác định sự hiện diện và vị trí chính xác của các gen cụ thể trong một tế bào. Trong những năm gần đây, protein huỳnh quang xanh lá (GFP) được trích từ phát quang sinh học của loài sứa Aequorea Victoria đã trở thành một công cụ vô giá cho việc nghiên cứu sự phân bố theo thời gian và không gian của các những loại protein cụ thể trong tế bào. Khi một protein được quan tâm gắn với GFP, thì quá trình tổng hợp và di chuyển của chúng có thể được theo dõi trong những tế bào sống. Trong năm 2008, giải nobel hóa học đã được trao cho Martin Chalfie, Osamu Shimomura và Roger Y.Tsien cho công cuộc khám phá và phát triển GFP.

Tuy nhiên một giới hạn vốn có của kính hiển vi đồng quang chính là người xem chỉ có thể tập trung trên duy nhất một mặt phẳng của một mẫu duy nhất tại một thời gian mà ánh sáng huỳnh quang được phát ra qua mẫu và được mẫu phản lại sẽ làm mẫu bị mờ đi. Vấn đề này có thể được giải quyết nhờ kỹ thuật quét đồng tiêu, là phương pháp sử dụng một tia lazer để chiếu sáng chỉ một mặt phẳng của mẫu vật tại một thời gian. Khi sử dụng một mẫu dày như toàn bộ tế bào, các tiếp cận này cho ta một độ phân giản tốt hơn. Khi so sánh hình ảnh thông qua kính hiển vi huỳnh qua hay đồng tiêu ở hình trên, bạn có thể thấy ở bức đồng tiêu có thể cho ta thấy cả những vi khuẩn nhỏ li ti trong mẫu tế bào Cheek (Cheek cell).

Một số phát triển gần đây ở kính hiển vi ánh sáng là kính hiển vi video kỹ thuật số (digital video microscope), công cụ mà ta có thể dùng các máy quay video để thu thập các hình ảnh kỹ thuật số để lưu trữ trên máy tính và deconvolution microscope (cái này mình chịu) là một công cụ kỹ thuật máy tính sử dụng các thuật toán phức tạp để tăng độ tương phản và độ phân giải của những hình ảnh kỹ thuật số này. Bằng cách đính kèm máy quay video kỹ thuật số nhạy với ánh sáng cao với KHVAS, các nhà nghiên cứu có thể quan sát các tế bào trong một thời gian dài sử dụng mức ánh sáng thấp. Việc nâng cấp hình ảnh này là vô cùng hữu ích để hình dung các phân tử huỳnh quang hiện diện ở mức độ thấp của tế bào sống và thậm chí là xem và nhận diện các đại phân tử riêng rẽ. Trên thực tế, những KHVAS siêu việt gần đây đang được phát triển và những gì chúng có thể cho ta nhìn nhìn thấy có thể vượt xa trên giới hạn độ phân giải, hình dung cấu trúc ở vùng 100nm, cái mà hiện những năm gần đây được cho là bất khả thi với bất kỳ chiếc kính hiển vi này.

Bất chấp những tiến bộ đáng kể trên, KHVAS chắc chắn phải tuân theo giới hạn độ phân giải quy định bởi bước sóng của ánh sáng dùng để xem mẫu. Ngay cả việc sử dụng bức xạ cực tím có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng nhìn thấy, thì độ phân giải chỉ tăng lên từ một đến hai lần. Một trong những bức phá đã đến với sự phát triển và ra đời của kính hiển vi điện tử, được phát minh tại Đức vào năm 1931 bởi Max Knoll và Ernst Ruska. Thay cho ánh sáng nhìn thấy và thấu kính quang học, kính hiển vi điện tử sử dụng một chùm electron bị lệch hướng và được tập trung bởi môi trường điện tử. Vì bước sóng ánh sáng của electron ngắn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, giới hạn phân giải cho kính hiển vi điện tử tốt hơn từ khoảng 0,1nm -0.2nm. Kết quả của độ phóng đại của kính hiển vi điện tử là rất cao- lên đến 100,000 lần.

Hầu như những chiếc kính hiển vi điện tử sẽ có hai thiết kế: kính hiển vi dẫn truyền điện tử (TEM) và kính hiển vi quét điện tử (SEM). Hai loại kính này thoạt nhìn có vẻ tương đồng vì đều dùng một chùm electron nhưng cơ chế tạo hình ảnh của chúng là khác nhau. Như tên gọi của nó, máy TEM tạo hình ảnh từ các eletron dẫn truyền qua các mẫu vật. Còn SEM, ở phía kia , sẽ quét trên bề mặt của mẫu vật để tạo ra hình ảnh bằng cách phát hiện các điện tử đang bị lệch khỏi bề mặt ngoài của mẫu vật. Quét kính hiển vi điện tử là một kỹ thuật ngoạn mục vì chiều sâu mà nó mang lại cho các cấu trúc sinh.

Một số kỹ thuật chuyên biệt của kính hiển vi điện tử đang được sử dụng, bao gồm nhuộm âm (negative staining), đổ bóng (shadowing), đóng băng đứt gãy (freeze fracturing) và khắc đóng băng (freeze etching). Mỗi kỹ thuật này là một công cụ hữu dụng để hình dung các mẫu vật trong ba hướng khác nhau. Một kỹ thuật cũng có giá trị không kém được gọi là kính hiển vi soi nổi (stereo electron microscope), trong đó một mẫu được chụp ở hai góc độ hơi giống nhau để tạo ra một hình ảnh ba chiều. Kính hiển vi quét đường hầm (Scanning tunneling microscope) được phát triển vào đầu những năm 1980, chúng nhạy cảm đến mức có thể cho ta hình dung những nguyên tử riêng biệt.

Những kỹ thuật soi kính hiển vi liên tục được phát triển. Vào năm 2009, một loại kính hiển vi điện tử ra đời là kính hiển vi quét dẫn truyền điện tử (scanning transmission electron microscope). Thay vì sử dụng chân không như trong kính hiển vi điện tử thông thường, loại kính hiển vi điện tử cho ta hình dung tế bào trong dung dịch và có thể được sử dụng cho toàn bộ các tế bào. Cùng lúc đó, kính hiển vi lực cộng hưởng từ (magnetic resonance force microscope) được phát triển để cho ta những hình ảnh về virus cũng như các đại phân tử lớn.

Kính hiển vi điện tử tiếp tục cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về kiến trúc của tế bào, có thể chi tiết hóa và điều tra các siêu cấu trúc. Trong khi các bào quan như nhân (nuclei) và ti thể (mitochondria) thì đã đủ lớn để nhìn qua KHVAS rồi, nhưng chúng sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn với kính hiển vi điện tử. Thêm vào đó, kính hiển vi điện tử có thể soi sáng những cấu trúc nhỏ liti KHVAS không làm được. Những cấu trúc này bao gồm, ribosomes, membrane (màng), microtubules (vi ống) và microfilament (vi sợi). Ở hình dưới đây là một số hình ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử.

Cùng thời gian với những nhà tế bào học bắt đầu khám phá về cấu trúc của tế bào với những chiếc kính hiển vi của mình, những nhà khoa học khác cũng có những quan sát và bắt đầu đi giải thích và làm sáng tỏ chứng năng của chúng. Cái ngày mà hóa sinh được hình thành là từ một khám phá được báo cáo vào năm 1828 bởi một nhà hóa học người Đức là Friedrich Wohhler, người bạn đương đại và đồng hương của Sheleiden và Schwanm. Ông ấy đã cách mạng hóa những suy nghĩ của chúng ta về sinh và hóa học, bằng cách mô tả urea (ure), hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ sinh học, đã có thể được điều chế trong phòng thí nghiệm bằng các chất vô cơ là ammonium cyanate (CH4OCN).

Từ khi Wohler báo cáo kết quả của ông và nó được rộng rãi cho rằng các sinh vật sống rất đặc biệc, không bị chi phối bởi các định luật vật lý hay hóa học áp dụng cho một thế giới không sống. Bằng cách cho ra một hợp chất được tổng hợp từ những sinh vật sống – một “hóa-sinh” – đã được tổng hợp trong một phòng thí nghiệm như các loại hóa chất khác, Wohler đã giúp chúng ta phá bỏ những khái niệm phân biệt giữa thế giới sống và không sống và xóa tan quan niệm rằng các quá trình hóa học và sinh học bằng cách nào đó được miễn trừ khỏi các quy luật vật lý, hóa học.

Một tiến bộ lớn khác đến vào 40 năm sau, khi nhà hóa kiêm sinh học ở Pháp là Louis Pasteur cho thấy rằng tế bào sống nấm men là nguyên nhân của hiện tượng lên men từ đường thành cồn. Năm 1897, các nhà vi khuẩn học Eduard và Hans Buchner đã nhận thấy rằng sự lên men có thể cùng diễn ra với các chiếc suất được phân lập từ tế bào nấm men, từ đó suy ra rằng sự nguyên vẹn của chúng là không cần thiết bắt buộc. Dần dần nó trở nên rõ ràng khi các tác nhân hoạt hóa được chiết xuất chính là enzyme, chất xúc tác sinh học của sự sống, cụ thể enzyme từ ‘zyme’ một từ Hy Lạp có nghĩa là ‘men’.

Bước tiến trong sự hiểu biết của chúng ta về chức năng của tế bào đến từ những năm thập niên 1920 và 1930 khi những bước đi riêng rẽ trong những con đường sinh hóa để lên men và các quá trình tế bào liên quan được làm sáng tỏ. Đây là thời kỳ được thống trị bởi các nhà hóa sinh người Đức như Gustav Embden, Otto Meyerhof, Otto Warburg và Hans Kerbs. Ví dụ mô tả về các bước của enzyme trong con đường Embden Meyerhof cho quá trình đường phân là một trong những thành tựu nghiên cứu chính vào đầu những năm 1930. Theo sau đó là chu trình Kerbs (còn gọi là chu trình TCA) cũng được tìm thấy không lâu sau đó.  Cả hai con đường này vô cùng quan trọng vì chúng có vai trò trong giai đoạn, nơi mà tế bào chiết suất năng lượng từ glucose và từ thực phẩm khác.  Vào cùng thời điểm đó, Fritz Lipmanm, một nhà hóa học Mỹ, đã đưa ra phân tử có mức năng lượng cao là adenosine triphosphate (ATP) chính là phân tử dự trữ năng lượng của hầu hết các tế bào.

Một bước tiến cũng quan trọng không kém, trong khi nghiên cứu về con đường và tương tác sinh hóa khi các đồng vị phóng xạ (radioactive isotopes) như 3H, 14C, 32P được sử dụng lần đầu tiên để theo dấu quá trình trao đổi chất của các nguyên tử và phân tử riêng biệt. Nhà hóa học Mỹ Melvin Calvin và đồng nghiệp của ông ở đại học California, Berkeley, là những người tiên phong đầu tiên trong lĩnh vực này khi học lần theo đồng vị 14C của carbon dioxide trong tế bào tảo được chiếu sáng cho thấy rằng chúng đang ‘quang hợp’. Những nghiên cứu của ông được thực hiện và làm sáng tỏ chu trình Calvin quá trình cơ bản nhất cho quá trình chuyển hóa carbon quang hợp. Chu trình Calvin là con đường trao đổi chất đầu tiên được tìm thấy dựa trên đồng vị phóng xạ.

Hóa sinh đã có một bước tiến quan trọng khác nữa là phương pháp ly tâm (centrifugation) dùng để phân tách và cô lập các cấu trúc dưới tế bào và các đại phân tử dựa trên kích thước, hình dạng và/ hoặc mật độ - một quá trình được gọi là phân đoạn dưới tế bào (subcellular fractionation). Kỹ thuật ly tâm được sử dụng cho mục đích bao gồm ly tâm vi sai, ly tâm mật độ gradient và ly tâm tỷ trọng cân bằng. Những kỹ thuật này đặc biệc hữu dụng để giải quyết sự siêu ly tâm của các bào quan nhỏ và các đại phân tử được phát triển bởi nhà hóa học người Thụy Sĩ Thaodor Svedberg những năm cuối thập niên 1920. Một máy siêu ly tâm có thể quay với tốc độ rất cao – hơn 100000 vòng/ phút – và có thể do đó, đối tượng mẫu chịu một lực vượt quá 500000 lần lực của trọng lực. Theo cách này hay cách khác, máy siêu ly tâm vô cùng quan trọng với hóa sinh cũng như kính hiển vi điện tử với các nhà sinh học tế bào vậy. Trên thực tế, cả hai công cụ được phát triển cùng một thời điểm, do đó khả năng để quan sát bào quan về cấu trức dưới tế bào đi chung với khả năng cô lập và thanh lọc chúng. Một kỹ thuật khác cũng được công nhận là hữu dụng trong việc cô lập và thanh lọc các thành phần dưới tế bào gồm sắc ký (chromatography) và điện ly (electrophoresis). Sắc ký là một thuật ngữ để mô tả nhiều loại kỹ thuật mà theo đó một hỗn hợp các phân tử trong dung dịch được phân đoạn dần dần khi dung dịch chảy qua pha hấp thụ tĩnh, thường là một cột. Các kỹ thuật sắc ký phân lập các phân tử dựa trên kích thước, điện tích và độ âm điện cho một số phân tử cụ thể hoặc nhóm chức năng nào đó. Ví dụ như ở hình dưới:

Điện ly (electrophoresis) đề cập một số kỹ thuật sử dụng trường điện từ để phân tách các phân tử dựa trên tính di động của nó và còn được sử dụng rộng rãi để xác định kích thước của protein, phân tử DNA và RNA. Môi trường phổ biến nhất cho phân tách điện ly của các protein và acid nucleic là gel polyacrylamit và agarose. Việc sử dụng điện ly trên gel polyacrylamit để phân giải protein mô tả ở hình dưới.

Sau khi protein được phân tách bằng điện ly, phương pháp phối khổ (mass spectrometry) thường được dùng để xác định kích thước và thành phần của các protein riêng lẻ. Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu xác định danh tính cũng như đặc điểm của từng protein riêng biệt trong hỗn hợp cả nghìn lại protein khác nhau trong tế bào. Ví dụ, trong ngành mới nổi là proteomics, các nhà nghiên cứu đang cố gắng để hiểu chức năng và tương tác của toàn bộ các protein hiện có ở một tế bào cụ thể. Đúc kết lại, với sự nâng cao khả năng để quan sát các cấu trúc dưới tế bào cùng với việc phân tách và cô lập chúng, các nhà tế bào và hóa sinh học đã bắt đầu nhận ra cách mà họ nhìn sự tương quan cấu trúc và chức năng của tế bào là có thể hỗ trợ bổ sung cho nhau và liên kết này vô cùng chặt chẽ. Những nhà khoa học này chính là những người đặt nền móng đầu tiên cho sinh học tế bào hiện đại ta biết đến ngày nay.

Nhánh thứ ba - cốt lõi lịch sử của sinh học tế bào là di truyền học. Giống như hai nhánh trước, nhánh này cũng có nguồn gốc từ thế kỷ XIX. Trong đó, nhánh này bắt đầu với Gregor Mendel, người nghiên cứu về đậu hà lan (chắc ai cũng biết ông này :>), ông đã trồng chúng trong một khu vườn trong tu viện và thí nghiệm của ông chắc chắn là một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất trong lịch sử sinh học. Phát hiện của ông được xuất bản vào năm 1866, đưa ra các nguyên tắc phân tách và phân loại độc lập các “yếu tố di truyền” mà sau này còn được gọi là gen. Mendel là một người đi trước thời đại, những nghiên cứu của ông hầu như không được chú ý đến khi nó được xuất bản lần đầu và cũng không được đánh giá cao cho đến khi nó được khám phá lại vào 35 năm sau đó. (Điều thú vị ở đây là hơn 2000 năm trước, nhà triết học người Hy lạp Aristotle đề cập đến một thực thể mà ông gọi là “mầm”, ông ấy đã tuyên bố rằng nó “sinh ra từ một người cha mẹ nhất định và sinh ra một thế hiện con cháu có thể tiên đoán trước” và ông gọi đó là “ảnh hưởng thống trị và người tạo ra thế hệ con cái”). 

Trong thập kỷ sau, công trình của Mendel, vai trò của hạt nhân của tính liên tục di truyền đã được đánh giá cao. Năm 1880, nhà sinh vật học người Đức Walther Flemming đã nhận diện được các nhiễm sắc thể (chromosomes), các cơ thể dạng sợi được nhìn thấy trong quá trình phân chia tế bào. Flemming gọi quá trình phân đó là nguyên phân (mitosis), từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “sợi”. Số lượng nhiễm sắc thể đã sớm được công nhận như một trong những đặc điểm khác nhau của các loài và được chứng minh là không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác. Cho rằng bản thân nhiễm sắc thể có thể trở thành người mang thông tin di truyền được đề xuất bởi nhà phẫu thuật học người Đức Wilhelm Roux vào đầu năm 1883 và được mô tả chính thức bởi người đồng hương của ông, nhà sinh vật học Ausugt Weissman. 

Ngay sau đó với vai trò của hạt nhân và nhiễm sắc thể được thiết lập và đánh giá cao, giai đoạn này là giai đoạn để tái thiết lập những quan sát đầu của Mendel. Bước đầu tiên xuất hiện vào năm 1900, khi nghiên cứu của ông được trích dẫn gần như đồng thời của ba nhà di truyền thực vật học làm việc độc lập: Carl Correns ở Đức, Ernst von Tschermak ở Úc, và Hugo de Vries ở Hà Lan. Trong vòng ba năm, thuyết di truyền NST được xây dựng, dựa trên công sức của nhà vật lý học người Mỹ Valter Sutton và nhà sinh học người Đức Theodor Boveri. Lý thuyết NST của di truyền cho rằng yếu tố di truyền chịu trách nghiệm cho sự di truyền của Mendel nằm trên các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào. Giả thuyết này được công nhận mạnh mẽ từ nghiên cứu của nhà sinh học người mỹ Thomas Hunt Morgan và học trò của ông, Calvin Bridges và Alfred Sturtevant tại đại học Columbia trong suốt hai thập kỷ đầu của thế kỷ XX. Sử dụng Drosophilia melanogaster, một loài ruồi giấm thông thường, là sinh vật thử nghiệm, nhóm của ông đã xác định được nhiều loại đột biến hình thái của Drosophila và có thể liên kết một sốt tính trạng với NST cụ thể.

Trong khi đó, nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về cơ sở hóa học đang dần hình thành. Một cột mốc quan trọng là sự khám phá ra DNA của nhà sinh học người Phần Lan Johann Friedrich Miescher vào năm 1869. Trong khi dùng những mẫu không phổ biến như tinh trùng cá hồi và mủ người từ băng bó phẫu thuật, Miescher cô lập và mô tả gọi nó là “nuclein”. Nhưng, cũng như Mendel, ông cũng là một người vượt thời đại. Phải khoảng 95 năm trước khi vai trò của nuclein của ông mà hiện nay được gọi là thông tin di truyền của tế bào đã được đánh giá đầy đủ nhất. Ngay những năm 1914, DNA đã được coi là một thành phần vô cùng quan trọng của NST bởi nhà hóa học người Đức Robert Feulgen với kỹ thuật nhuộm của ông, kỹ thuật mà vẫn được sử dụng cho đến tận ngày nay. Tuy nhiên, có người cho rằng không hoàn toàn chắc rằng DNA là người mang thông tin di truyền vì cấu trúc đơn điệu của nó. Năm 1930, DNA được biết là cấu tạo từ bốn loại nucleotides và dường như là không đủ để giải thích cho sự đa dạng của các sinh vật sống. Proteins, mặt khác, lại đa dạng hơn, với 20 loại amino acid cấu thành khác nhau. Trên thực tế, tới giữa thập niên XX, hầu hết mọi người đều cho rằng protein là người mang thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, vì chúng hầu như là thành phần hạt nhân duy nhất có đủ sự đa dạng để giải thích về sự phong phú của gen.

Một thí nghiệm mang tính bước ngoặc chỉ ra DNA là vật liệu di truyền được báo cáo vào năm 1944 bởi Oswald Avery, Colin Macleod và Maclyn McCarty. Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng, DNA có thể “biến đổi” từ thí nghiệm về một chủng vi khuẩn không gây thành gây bệnh và gây ra sự biến đổi di truyền. Tám năm sau, khi nhà hóa học người Mỹ Alfred Hershey và Martha Chase đưa ra kết luận DNA, mà không phải là protein, thâm nhập vào tế bào vi khuẩn vì khi nhiễm bệnh nó dần bị biến đổi vởi virus vi khuẩn.

Trong khi đó, hai nhà sinh học người Mỹ là George Beadle và Eward Tatum, làm việc vào những nawm1940 với khuôn bánh mỳ Neurosporo crassa, tạo ra “1 gen – 1 enzyme” một khái niệm cho rằng mỗi gen kiểm soát sự sản xuất của một loại protein cụ thể. Ngay sau đó, vào năm 1953. Một nhóm cựu sinh viên điều khiển học James Waston và nhà vật lý học Francis Crisk, với sự hỗ trợ từ tia X của nhà tinh thể học Rosalind Franklin, đã đề xuất mô hình chuỗi xoắn kép nổi tiếng hiện nay cho cấu trúc DNA, ngay lập tức nhận định về cách mà chúng sao chép và đột biến có thể xảy ra.  Ngay sau đó, ta cũng phát hiện ra cách DNA quy định thứ tự của các amino acid trong protein và cho rằng một số loại phân tử RNA khác nhau đóng vai trò như chất trung gian trong quá trình tổng hợp protein. 

Những năm thập niên 60 của thế kỷ XIX đã mang đến một số bước phát triển đặc biệc quan trọng, bao gồm sự khám phá ra các polymerase enzyme tổng hợp DNA và RNA và “bẻ khóa” mã di truyền, giúp ta xác định mối quan hệ giữa trình tự phẩn tử DNA hoặc phân tử RNA và trình tự các amino acid trong protein. Cùng lúc đó, nhà hóa sinh học Jacques Monod và nhà di truyền học Francois Jacob của Pháp đã suy ra cơ chế chịu trách nghiệm điều khiển biểu hiện gen ở vi khuẩn. 

Một số kỹ thuật quan trọng ở nhánh di truyền học ở (hình trên) trong đó gồm sự phân tách các phân tử DNA và các đoạn bằng phương pháp siêu ly tâm và điện ly bằng gel. Một công cụ quan trọng không kém ở nhánh này đó là ghép các acid nucleic, bao gồm nhiều kỹ năng dựa vào khả năng của hai mạch đơn các phân tử acid nucleic với trình tự bổ sung liên kết hoặc gắn chúng lại với nhau để tạo cấu trúc mạch kép alpha helix. Những kỹ thuật này có thể được áp dụng trên DNA-DNA, DNA-RNA, và cả các tương tác RNA-RNA, và chúng rất hữu dụng trong việc phân lập và nhận dạng các phẩn tử DNA và RNA cụ thể. 

Sự hiểu biết của chúng ta về biểu hiện gen phụ thuộc rất lớn vào sự phát triển của các loại công nghệ DNA tái tổ hợp từ những năm 1970. Kỹ thuật này được khả thi hóa bởi sự khám phá của các loại enzyme cắt (restriction enzyme), cái mà có thể cắt DNA thành những trình tự cụ thể các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp gồm trình tự DNA từ hai nguồn khác nhau. Khả năng này dẫn đến sự phát triển của nhân bản gen (gene cloning), một quy trình sản xuất rất nhiều bản copy của đoạn trình tự DNA cụ thể để thuận cho việc nghiên cứu và xa hơn nữa là điều khiển chúng.

Tại cùng thời điểm đó, các phương pháp giải trình tự DNA được nghĩ ra và hiện nay không chỉ áp dụng lên những gen riêng rẽ mà còn cả bộ gen (tức là tổng hàm lượng DNA của một tế bào). Ban đầu, giải trình tự DNA của bộ gen được áp dụng chủ yếu ở bộ gen của vi khuẩn bởi vì chúng tương đối nhỏ - thường là vài triệu bazo nito. Tuy nhiên, kỹ thuật sắp xếp trình tự DNA từ lâu đã được áp dụng thành công nhiều nhiều bộ gen lớn hơn, bao gồm bộ gen nấm men, giun đũa, thực vật và động vật được quan tâm đặc biệc của các nhà nghiên cứu. Một phát triển lớn tiếp nối khi ta ta xếp trình tự bộ gen của người với 3,2 tỷ các bazo nito. Kỳ tích đã xảy ra nhờ dự án Human Genome, một nỗ lực hợp tác quốc tế bắt đầu từ những năm 1980, bao gồm hàng trăm các nhà nghiên cứu, và đã lập được một bộ gen hoàn chỉnh của con người vào năm 2003. 

Thách thức của việc phân tích một lượng lớn dữ liệu vô cùng rộng lớn từ trình tự DNA đã dẫn đến một nhánh mới; gọi là tin sinh học (bioinformatics), là nhánh hợp nhất khoa học máy tính và sinh học như một công cụ tìm ý nghĩa về dữ liệu trình tự bộ gen. Cách tiếp cận này đã dẫn đến việc công nhận bộ gen người gồm khoảng 25000 gen để mã hóa cho protein, khoảng một nửa số gen và cũng như đặc tính riêng chúng không được tìm thấy trước khi ta giải trình tự bộ gen. Chúng cũng giúp các nhà tiến sĩ nghiên cứu về proteome, tổng hàm lượng protein của một tế bào, phân tích hàng nghìn proteins cùng một lúc. Nghiên cứu proteomic hướng đến việc hiểu thành phần và cấu trúc của từng loại protein được dịch mã từ bộ gen và học cách mà những proteins này phản ứng, tương tác với nhau để điều chỉnh chức năng tế bào. 

Nhiều công cụ tin sinh học được cung cấp công khai thông qua Trung tâm quốc gia về thông tin công nghệ sinh học (NCBI), được vận hành bởi Viện y tế quốc gia Hoa Kỳ (NIH). Thêm vào đó là PubMed, một kho lưu trữ có thể tìm kiếm hơn 17 triệu tài liệu từ các bài báo khoa học, NCBI đang duy trì GenBank, một cơ sở dữ liệu toàn diện về tất cả nucleotide và trình tự amino acid (hơn 100 triệu trình tự được lưu trữ đến năm 2010). Và còn vô số công cụ để so sánh trình tự gen và protein của tất cả các sinh vật sau đó ta sẽ phân tích cấu trúc và chức năng của chúng. Thêm vào đó, NCBI còn cung cấp lượng thông tin sinh học dồi dào, chẳng hạn như CSDL OMIM ( online Mendelian Inhertance in Man), là một bộ sưu tập bách khoa toàn thư về thông tin liên quan đến rối loạn di truyền ở người và các đột biến liên quan đến hơn 12000 gen.

Sử dụng nấm men như một sinh vật mẫu để phân lập và xác định đặc điểm của các đột biến gen, các nhà khoa học đã học được nhiều điều về các mà tế bào hoạt động bằng cách nghiên cứu các chủng nấm men đột biến thiếu các gen cụ thể và các sản phẩm protein của chúng. Ví dụ, các đột biến trong chu kỳ tế bào tế bào của nấm men biểu thị sự phân chia tế bào bất thường như thế nào. Gần đây, việc sử dụng hệ thống lai hai men (the yeast two-hybrid system), phương pháp giúp chúng ta xác định cách thức các protein cụ thể tương tác trong một tế bào sống, chính nó đã đóng góp rất nhiều vào sự hiểu biết của chúng ta về phức hợp tương tác phân tử tham gia vào chức năng tế bào. 

Trong thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến những tiến bộ lớn của công nghệ nano, sự phát triển của các máy móc công cụ kích thước nanomet và trong phân tích kết quả thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy tính. Ở thế hệ trước, phải mất một tuần để giải trình tự một gen duy nhất nhưng bây giờ hàng nghìn gen có thể được giải trình tự trong vài ngày. Khả năng phân tích đồng thời hàng nghìn phân tử trên toàn cầu trong tế bào đã dẫn đến sự gia tăng của nghiên cứu “-omics”. Bây giờ chúng ta có bảng điểm, nghiên cứu của tất cả các gen được phiên mã trong một tế bào cụ thể, các gen chuyển hóa, phản ứng trao đổi chất xảy ra tại một thời điểm trong tế bào, và thậm chí là lipid omics, nghiên cứu về tất cả các lipid trong tế bào. Hãy mở rộng tầm mắt của bạn trong vài năm tới, vì sự bùng nổ của thông tin sinh học sẽ dẫn đến một loạt các lĩnh vực “-omics” mới!

Nhưng kỹ thuật này và kỹ thuật khác đã giúp khởi động kỷ nguyên di truyền học phân tử tiếp tục cách mạng hóa sinh học. Trong quá trình này, chuỗi lịch sử của di truyền niên đại trở lại Mendel trở nên gắn bó mật thiết với những người của tế bào học và hóa sinh, và môn học về sinh học tế bào ta được biết ngày nay đã được ra đời.

Và thế là bạn đã cùng mình đi hết một hành trình dài để hiểu thêm về lịch sử của sinh học tế bào. Tế bào học nói riêng và công nghệ sinh học nói chung là một ngành có tiềm năng vô cùng lớn có thể thay đổi toàn bộ tương lai của nhân loại.

Nếu có lỗi chính tả thì nhắc cho mình nhé bài dài quá mình không rà hết được.

Có câu hỏi gì cho mình các bạn có thể comment bên dưới nhé!

Các bạn muốn ủng hộ mình thì ở đây nhé! Mỗi đóng góp của các bạn sẽ là động lực vô cùng lớn cho mình để tiếp tục series này. Cảm ơn các đọc giả rất nhiều.
Tài khoản: 9704151554383282 (Vietinbank, Thành phố Đà Nẵng)

Nguồn tham khảo:

Becker's World of the Cell 8th

Link ảnh: