Một nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học California tại Merced (UC Merced) đã chứng minh rằng các tế bào nhân tạo siêu nhỏ có thể giữ thời gian chính xác, mô phỏng nhịp điệu hàng ngày tìm thấy trong các sinh vật sống. Phát hiện của họ hé lộ cách đồng hồ sinh học duy trì lịch trình bất chấp nhiễu loạn phân tử vốn có bên trong tế bào.

Nghiên cứu này, gần đây được công bố trên Nature Communications, được dẫn dắt bởi Giáo sư kỹ thuật sinh học Anand Bala Subramaniam và Giáo sư hóa học và hóa sinh Andy LiWang. Tác giả chính, Alexander Zhang Tu Li, đã lấy bằng Tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Subramaniam.

Đồng hồ sinh học – còn được gọi là nhịp sinh học – điều chỉnh các chu kỳ 24 giờ kiểm soát giấc ngủ, quá trình trao đổi chất và các quá trình sống quan trọng khác. Để khám phá các cơ chế đằng sau nhịp sinh học của vi khuẩn lam (cyanobacteria), các nhà nghiên cứu đã tái tạo bộ máy đồng hồ trong các cấu trúc đơn giản, giống tế bào được gọi là túi (vesicles). Các túi này được nạp các protein đồng hồ cốt lõi, trong đó một loại được gắn thẻ huỳnh quang.

Các tế bào nhân tạo phát sáng theo nhịp điệu 24 giờ đều đặn trong ít nhất bốn ngày. Tuy nhiên, khi số lượng protein đồng hồ bị giảm hoặc các túi được làm nhỏ hơn, ánh sáng nhịp điệu ngừng lại. Sự mất nhịp điệu tuân theo một mô hình có thể tái tạo.

Để giải thích những phát hiện này, nhóm đã xây dựng một mô hình tính toán. Mô hình cho thấy đồng hồ trở nên mạnh mẽ hơn với nồng độ protein đồng hồ cao hơn, cho phép hàng ngàn túi giữ thời gian đáng tin cậy - ngay cả khi lượng protein thay đổi nhẹ giữa các túi.

Mô hình cũng gợi ý một thành phần khác của hệ thống nhịp sinh học tự nhiên - chịu trách nhiệm bật và tắt gen - không đóng vai trò chính trong việc duy trì từng đồng hồ riêng lẻ nhưng rất cần thiết để đồng bộ hóa thời gian đồng hồ trong toàn bộ quần thể.

Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng một số protein đồng hồ có xu hướng dính vào thành của túi, nghĩa là cần có tổng lượng protein cao để duy trì chức năng thích hợp. Subramaniam cho biết: "Nghiên cứu này cho thấy chúng ta có thể phân tích và hiểu các nguyên tắc cốt lõi của việc xác định thời gian sinh học bằng cách sử dụng các hệ thống tổng hợp, đơn giản hóa".

Công trình do Subramaniam và LiWang dẫn đầu đã thúc đẩy phương pháp nghiên cứu đồng hồ sinh học, theo Mingxu Fang, giáo sư vi sinh tại Đại học bang Ohio và là chuyên gia về đồng hồ sinh học. Fang nói: "Đồng hồ sinh học của vi khuẩn lam dựa vào các phản ứng sinh hóa chậm vốn dĩ rất nhiễu loạn, và đã có đề xuất rằng cần có số lượng protein đồng hồ cao để giảm thiểu nhiễu loạn này. Nghiên cứu mới này giới thiệu một phương pháp để quan sát các phản ứng đồng hồ được tái tạo trong các túi có thể điều chỉnh kích thước, mô phỏng kích thước tế bào. Công cụ mạnh mẽ này cho phép kiểm tra trực tiếp cách thức và lý do tại sao các sinh vật có kích thước tế bào khác nhau có thể áp dụng các chiến lược xác định thời gian riêng biệt, từ đó làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về các cơ chế xác định thời gian sinh học trên khắp các dạng sống".

Subramaniam là thành viên khoa của Khoa Kỹ thuật Sinh học và là thành viên liên kết của Viện Nghiên cứu Khoa học Sức khỏe (HSRI). LiWang là thành viên khoa của Khoa Hóa học và Hóa sinh, cũng liên kết với HSRI. Ông là thành viên của Học viện Vi sinh học Hoa Kỳ và là người nhận Giải thưởng Dorothy Crowfoot Hodgkin năm 2025 từ Hiệp hội Protein.

Công trình này được hỗ trợ bởi giải thưởng CAREER của Quỹ Khoa học Quốc gia của Subramaniam từ Ban Nghiên cứu Vật liệu và bởi các khoản tài trợ từ Viện Y tế Quốc gia và Văn phòng Nghiên cứu Quân đội được trao cho LiWang. LiWang được hỗ trợ bởi một học bổng từ Trung tâm CREST của NSF về Máy móc Tế bào và Phân tử tại UC Merced.

P.T.T (NASTIS), theo https://www.sciencedaily.com/releases/, 2025