Đâu là thí nghiệm tài tình nhất từng được thực hiện?

______

Một nghiên cứu siêu thú vị (Động lực của sự hình thành thần kinh vùng hồi hải mã ở người trưởng thành) vài năm trước đã khiến tôi vô cùng sửng sốt: xác định niên đại bằng carbon phóng xạ để chứng minh về sự phát sinh thần kinh ở não bộ của người trưởng thành.

Có lẽ bạn đã nghe nói về phương pháp xác định niên đại bằng cách sử dụng phân rã carbon phóng xạ để ước tính tuổi hóa thạch. Thế còn việc sử dụng kỹ thuật tương tự trên các tế bào não thì sao?

Vào năm 2013, một nhóm các nhà khoa học do Jonas Frisen dẫn đầu tại Viện Karolinska ở Thụy Điển đã sử dụng phương pháp xác định niên đại bằng carbon để ước tính tuổi của các tế bào thần kinh ở vùng hồi hải mã của người trưởng thành – một khu vực quan trọng cho trí nhớ và học tập. Họ đang cố gắng giải quyết một trong những tranh cãi quan trọng nhất trong lĩnh vực khoa học thần kinh: liệu sự hình thành thần kinh (thế hệ tế bào thần kinh mới) có xảy ra trong não bộ người trưởng thành hay không?

Đây là một trong những điều gây tranh cãi nhất trong giới khoa học thần kinh. Nhiều nhà khoa học cực lực tin rằng bộ não người trưởng thành đã được cố định và không thể tạo ra bất kỳ tế bào thần kinh mới nào. Người ta cho rằng sự hình thành thần kinh sẽ dừng lại sau thời thơ ấu. Nhưng các nghiên cứu trên chuột vào cuối những năm 1960 cho thấy các tế bào thần kinh mới được tạo ra trong tiểu vùng của hồi hải mã được gọi là hồi răng của não chuột trưởng thành bắt đầu làm suy giảm khái niệm này.

Bằng chứng trực tiếp đầu tiên về sự hình thành thần kinh ở người trưởng thành là vào năm 1998, nhưng phương pháp tiêm chất hóa học tích hợp vĩnh viễn vào DNA phân chia tế bào não đã không còn được sử dụng nữa vì những lo ngại về an toàn, vậy nên các kết quả không thể được tái tạo nữa. Ngoài ra, kỹ thuật này không thể cung cấp thông tin về số lượng tế bào thần kinh mới được tạo ra, vì vậy sẽ không thể biết được sự hình thành thần kinh xảy ra ở người có cùng mức độ ảnh hưởng đến chức năng não như ở loài gặm nhấm hay không. Kết quả trực tiếp trên người đã bị thiếu và rất khó để có thể có được.

Khoảnh khắc sáng kiến loé lên bắt nguồn từ một sự hiểu biết đáng kinh ngạc: một xung carbon phóng xạ được tạo ra bởi các vụ thử hạt nhân trên mặt đất trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh có thể cho ta biết khi nào các tế bào được sinh ra. Đây là cách nó hoạt động:

Hầu hết các vụ thử bom hạt nhân đã xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 1955 đến 1963 và tạo ra lượng carbon phóng xạ (14 C) trong khí quyển. Kể từ năm 1963 khi hiệp ước cấm thử nghiệm hạt nhân trên mặt đất được ký kết đã không có thêm vụ thử mới nào, mức 14C trong khí quyển bắt đầu giảm xuống. Carbon phóng xạ được tích hợp vào các tế bào, protein và DNA của tất cả các sinh vật sống giống như carbon không phóng xạ.

Carbon phóng xạ 14C trong khí quyển phản ứng với oxy tạo thành CO2, được thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp. Khi chúng ta ăn các loại động thực vật, chúng ta sẽ hấp thụ 14C, nhân đôi lượng 14C khí quyển trong cơ thể người. Khi một tế bào trải qua quá trình nguyên phân và nhân đôi nhiễm sắc thể của nó, nó tích hợp 14C trong DNA hệ gen tổng hợp với nồng độ tương ứng với mức 14C có trong khí quyển tại thời điểm đó, tương đương với việc đánh dấu ngày lên DNA.

Bằng cách xác định có bao nhiêu lượng carbon phóng xạ trong một tế bào DNA, các nhà khoa học có thể tính được ngày sinh của các tế bào thần kinh. Các ứng dụng sinh học của việc xác định ngày của xung bom nguyên tử đã xuất hiện trong khoa học pháp y vào đầu những năm 1990. Các thám tử ở Vienna đã nhờ tới sự giúp đỡ từ một nhà vật lý để xác định ngày chết của hai chị em giàu có. Dựa trên hiểu biết về việc xác định ngày bằng xung bom nguyên tử, nhà vật lý này đã sử dụng phương pháp này để xác định ngày tháng cho các tế bào da của họ và từ đó xác định thứ tự cái chết của họ.

Trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu kết luận rằng bộ não của con người trưởng thành tiếp tục tạo ra các tế bào thần kinh mới trong suốt cuộc đời, từ đó giải quyết được một trong những vấn đề khoa học thần kinh lâu đời và những tranh cãi quan trọng nhất.

Ở người trưởng thành, khoảng một phần ba tế bào thần kinh ở vùng hồi hải mã nằm trong phần tái tạo với 700 tế bào thần kinh mới được thêm vào mỗi ngày và tốc độ sẽ giảm dần khi tuổi tăng cao. Nhóm nghiên cứu đã mất 12 năm để thu thập 55 mẫu não từ các trường hợp khám nghiệm tử thi.

Phương pháp của nghiên cứu khó đến nỗi người ta thực sự phải ngả mũ trước họ. Các hạt nhân được tách ra và quá trình tinh sạch DNA được thực hiện trong phòng sạch để ngăn chặn sự ô nhiễm carbon. Cacbon trong DNA được chuyển đổi thành than chì và được đo bằng phương pháp phổ khối gia tốc để đo mức carbon phóng xạ.

Phương pháp đo phổ khối gia tốc tiêu chuẩn đòi hỏi các mẫu tương ứng với khoảng 1mg carbon. Tổng lượng carbon trong các mẫu DNA từ các quần thể tế bào vùng hồi hải mã sau các bước sắp xếp và tinh chế tế bào chỉ còn lại một lượng rất nhỏ là 20μg, dẫn đến việc cần phải có một cách tiếp cận khác. Phải mất nhiều năm cộng tác với các phòng thí nghiệm khác để thực hiện được việc này. Những nỗ lực cuối cùng đã được đền đáp.

Kirsty Spalding, đồng tác giả dẫn đầu nỗ lực này cũng đã sử dụng phương pháp này để xác định ngày sinh của các tế bào mỡ. Cô muốn biết liệu các tế bào mỡ được thay thế nhanh hay chậm hơn ở những người béo phì. Cô phát hiện ra rằng những người trưởng thành béo phì có nhiều tế bào mỡ hơn những người gầy và số lượng tế bào mỡ ở cả hai nhóm hầu như đều được sắp đặt trong thời thơ ấu và thanh thiếu niên. Kết quả là, người trưởng thành có số lượng tế bào mỡ không đổi, ngay cả đối với những người giảm rất nhiều cân nặng. Thay vào đó, khối lượng tế bào mỡ được thay đổi khiến trọng lượng cơ thể tăng hoặc giảm. Cả hai nhóm đều có tỷ lệ các tế bào mới được sinh mới bằng nhau. Tỷ lệ tế bào sinh mới tương ứng với tỷ lệ tế bào chết đi, vì vậy, bất kể cân nặng là bao nhiêu, người trưởng thành sẽ thay thế khoảng 8% tế bào mỡ mỗi năm. Giai đoạn đầu đời thì khác. Trẻ béo phì bổ sung các tế bào mỡ mới với tốc độ gấp đôi so với các bạn cùng tuổi, đó là lý do tại sao chúng có số lượng tế bào mỡ cao hơn.

Những kết quả tuyệt vời này giúp giải thích lý do tại sao rất nhiều người thừa cân và béo phì cảm thấy rất khó để giảm cân. Sau khi xây dựng một nguồn cung lớn, các tế bào mỡ liên tục được bổ sung trong suốt cuộc đời, vậy nên họ thực sự đã gặp bất lợi. Những phát hiện này có thể mang ý nghĩa rất quan trọng về việc chúng ta có thể giải quyết đại dịch béo phì như thế nào.

Nhìn nhận lại thì thử nghiệm bom hạt nhân ít nhất mang lại một số lợi ích bất ngờ và kết quả đột phá trong sinh học.

Nguồn tham khảo:

[1] Cold War Bomb Testing Is Solving Biology’s Biggest Mysteries

[2] Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans

[3] Accelerator mass spectrometry of ultra-small samples with applications in the biosciences

[4] Fat cell number is set in childhood and stays constant in adulthood

[5] Dynamics of fat cell turnover in humans