Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
‘Một chiếc nồi được xem không bao giờ sôi,’ như người ta vẫn nói, nhưng đó không phải là trường hợp các nhà nghiên cứu xem một ‘nồi’ chất lỏng hình thành từ DNA. Trong thực tế, điều ngược lại đã xảy ra.
“Một chiếc nồi được xem không bao giờ sôi”, như người ta vẫn nói, nhưng đó không phải là trường hợp của các nhà nghiên cứu của UC Santa Barbara khi xem một “nồi” chất lỏng hình thành từ DNA. Trong thực tế, điều ngược lại đã xảy ra.
Với các đối tác nghiên cứu tại Đại học Ludwig-Maximilians (LMU) tại Munich, Đức, kết quả nghiên cứu của nhóm xuất hiện trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences) .
Những tiến bộ gần đây trong sinh học tế bào đã cho phép các nhà khoa học biết rằng các thành phần phân tử của tế bào sống (như DNA và protein) có thể liên kết với nhau và tạo thành những giọt chất lỏng xuất hiện tương tự như những giọt dầu trong nước trộn salad. Những giọt tế bào này tương tác với các thành phần khác để thực hiện các quá trình cơ bản quan trọng đối với sự sống, nhưng ít ai biết được cách thức hoạt động của các tương tác. Để hiểu rõ hơn về các quá trình cơ bản này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp công nghệ nano hiện đại để chế tạo một hệ thống mô hình – một giọt chất lỏng hình thành từ các hạt DNA – và sau đó quan sát các giọt đó khi chúng tương tác với enzyme cắt DNA.
Đáng ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng trong một số trường hợp, việc thêm enzyme khiến các giọt DNA đột nhiên bắt đầu sủi bọt, giống như nước sôi.
“Điều kỳ lạ về DNA sủi bọt là chúng tôi đã không làm nóng hệ thống; như thể một nồi nước bắt đầu sôi ngay cả khi bạn quên bật bếp”, đồng trưởng nhóm dự án Omar Saleh, UC Santa Barbara, trợ lý giáo sư vật liệu và kỹ thuật sinh học chia sẻ. Tuy nhiên, hành vi sủi bọt không phải lúc nào cũng xảy ra; đôi khi việc thêm enzyme sẽ khiến các giọt nước co lại một cách trơn tru và không rõ tại sao một phản ứng này lại xảy ra.
Để đi đến tận cùng của bí ẩn này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một bộ thí nghiệm chính xác nghiêm ngặt để định lượng các hành vi co lại và sủi bọt. Họ đã xác định hai loại hành vi co lại: loại thứ nhất do enzyme cắt DNA chỉ trên bề mặt giọt nước và loại thứ hai do enzyme xâm nhập bên trong giọt nước. “Quan sát này rất quan trọng để làm sáng tỏ hành vi, vì nó đưa vào đầu chúng tôi ý tưởng rằng enzyme có thể bắt đầu ăn vào những giọt nước từ bên trong”, đồng lãnh đạo Tim Liedl, giáo sư tại LMU, nơi các thí nghiệm cho biết tiến hành.
Bằng cách so sánh phản ứng của giọt nước với thiết kế hạt DNA, nhóm nghiên cứu đã phá vỡ trường hợp: họ thấy rằng sự co lại dựa trên sự sủi bọt và thâm nhập xảy ra cùng nhau, và chỉ xảy ra khi các hạt DNA liên kết nhẹ với nhau, trong khi các hạt DNA liên kết mạnh sẽ giữ được enzyme ở bên ngoài như Saleh đã lưu ý, “Nó giống như cố gắng đi qua một đám đông – nếu đám đông nắm chặt tay nhau, bạn sẽ không thể vượt qua.”
Các bong bóng sau đó chỉ xảy ra trong các hệ thống ràng buộc nhẹ, khi enzyme có thể xuyên qua các hạt DNA đông đúc đến bên trong giọt nước, và bắt đầu ăn mòn từ giọt nước từ bên trong. Các mảnh hóa học được tạo ra bởi enzyme dẫn đến hiệu ứng thẩm thấu trong đó nước được hút vào từ bên ngoài, gây ra hiện tượng sưng tạo ra bong bóng. Các bong bóng phát triển, chạm đến bề mặt giọt nước, và sau đó giải phóng các mảnh vỡ trong một vụ nổ khí như ợ.
Công trình cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa các tính chất vật liệu cơ bản của chất lỏng phân tử sinh học và tương tác của nó với các thành phần bên ngoài. Nhóm nghiên cứu tin rằng cái nhìn sâu sắc thu được từ việc nghiên cứu quá trình sủi bọt sẽ dẫn đến cả hai mô hình quy trình sống tốt hơn và tăng cường khả năng chế tạo các giọt chất lỏng để sử dụng làm lò phản ứng sinh học tổng hợp.
Nghiên cứu đã được thực hiện nhờ một giải thưởng cho Saleh từ Quỹ Alexander von Humboldt, cho phép anh đến thăm Munich và làm việc trực tiếp với Liedl trong dự án này. “Những kiểu hợp tác quốc tế này cực kỳ năng suất,” Saleh nói.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Santa Barbara . Bản gốc được viết bởi James Badham. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :