Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi trong cấu trúc bộ khung tế bào cơ thể sống trong điều kiện mô phỏng trạng thái vi trọng lực (simulated microgravity)

Trọng lực là một hằng số ảnh hưởng đến cả hiện tượng vật lý và sinh học trong quá trình phát triển sự sống trên Trái đất. Trọng lực đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa hình thái của sinh vật. Để chống lại trọng lực, cơ thể sống cần phát triển các hệ thống hỗ trợ như xây dựng cấu trúc phù hợp, củng cố màng tế bào và điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng trong cơ thể. Trong không gian, các phi hành gia đã trải qua những thay đổi sinh lý sâu sắc khi cơ thể họ phải điều chỉnh theo môi trường vi trọng lực. Tất cả các quá trình sinh lý trong cơ thể bị chi phối bởi hoạt động của nhiều loại tế bào chuyên biệt trong các mô khác nhau.

Do đó, môi trường vi trọng lực được coi là phát huy tác dụng bất lợi đối với các phi hành gia thông qua những thay đổi trong cấu trúc và chức năng của tế bào. Chính vì những lý do trên, nghiên cứu về những ảnh hưởng của môi trường không gian đến cơ thể sinh vật là rất quan trọng, giúp giảm thiểu những rủi ro cho con người trong quá trình khám phá vũ trụ. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loại tế bào ở những sinh vật khác nhau hoạt động khác nhau trong không gian so với trên Trái đất. Do có sự đa dạng lớn về các loại tế bào trong tự nhiên, ảnh hưởng của vi trọng lực lên các tế bào đó vô cùng đa dạng và thường phức tạp.

Tác động của trọng lực lên nghiên cứu sinh học hiện có thể được thực hiện thông qua các chuyến bay vũ trụ hoặc mô phỏng trên mặt đất. Một số mô hình hệ thống vi trọng lực mô phỏng đã được thiết lập trên mặt đất như các hệ thống clinostat 2D, 3D, RPM (máy định vị ngẫu nhiên), buồng quay và tháp rơi để nghiên cứu tác động của vi trọng lực trên mặt đất. Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi trong cấu trúc bộ khung tế bào cơ thể sống trong điều kiện mô phỏng trạng thái vi trọng lực (simulated microgravity)” do TS. Lê Thành Long cùng nhóm nghiên cứu tại Viện sinh học nhiệt đới thực hiện nhằm mục tiêu đánh giá được ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực lên một số thay đổi cấu trúc bộ khung xương tế bào cơ thể sống trên cơ sở sử dụng hệ thống mô phòng vật lý trạng thái vi trọng lực.

Khi sự sống bắt đầu cách đây khoảng 4 tỉ năm, các vector trọng lực của trái đất đã xuất hiện và luôn hiện diện trong môi trường. Vector trọng lực luôn tác động đến sự phát triển phát sinh loài của tất cả các sinh vật tồn tại trên trái đất. Trọng lực đóng vai trò vừa là nhân tố giới hạn vật lý, vừa là nhân tố quan trọng giúp kiểm soát sự định hướng và tư thế của sinh vật. Các nghiên cứu về sự tăng giảm môi trường trọng lực trên các hệ thống sinh học sẽ giúp hiểu rõ hơn vai trò của trọng lực trong quá trình phát triển sinh lý, hình dạng cũng như chức năng của các sinh vật sống.

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về tác động của điều kiện không gian (môi trường không trọng lực và vi trọng lực) lên các hệ thống sinh vật sống còn hạn chế bởi nhiều nguyên nhân, trong đó kinh phí thực hiện các thí nghiệm vẫn là nguyên nhân lớn nhất. Đây không chỉ là khó khăn mà chúng ta găp phải, đây cũng là vấn đề khó khăn ở cả các nước có ngành hàng không không gian phát triển như Mỹ, Nhật, châu Âu…Do đó, việc xây dựng, thiết kế các mô hình mô phỏng trạng thái vi trọng lực trong không gian sẽ không chỉ giải quyết vấn đề kinh phí thực hiện thí nghiệm, mà còn tiết kiệm, rút ngắn thời gian nghiên cứu, đánh giá tác động của môi trường vi trọng lực trong không gian lên các hệ thống sinh học.

Nghiên cứu Sinh học không gian là một phần quan trọng các chương trình vũ trụ của các trung tâm vũ trụ trên thế giới như NASA (Cục Hàng không và không gian quốc gia Mỹ), ESA (Cơ quan hàng không châu Âu), JAXA (Cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản). Sinh học không gian đã là một phần của chương trình Khoa học sự sống của NASA từ những năm 1960. NASA ngày càng tập trung vào việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến hiện đại của công nghệ sinh học, sinh học phân tử, sinh học tế bào để nghiên cứu, khám phá và đánh giá tác động của các chuyến bay trong không gian lên quá trình sinh học. Với các hệ thống công cụ nghiên cứu mạnh của thế kỉ 21, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu sâu hơn các cơ chế thích nghi của vi khuẩn, thực vật và động vật đối với môi trường không trọng lực. Điều này sẽ giúp chúng ta hiểu được những cách cơ bản mà các hệ thống sinh vật sử dụng trọng lực để điều hòa quá trình tăng trưởng, quá trình biến dưỡng, sinh sản và phát triển, cũng như hiểu được cách mà chúng sửa chữa các sai hỏng, bảo vệ chúng khỏi bệnh tật, truyền nhiễm.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Hệ thống 3D clinostat đã được thiết kế và chế tạo thành công nhằm tạo điều kiện vi trọng lực mô phỏng cho các thí nghiệm. Hệ thống 3D Clinostat có khả năng tạo điều kiện vi trọng lực mô phỏng từ 10-3 đến 0,9 G, vận hành được trong tủ nuôi cấy tế bào động vật trong thời gian 72 giờ liên tục. Hệ thống này có thể được triển khai ứng dụng không chỉ cho nghiên cứu nuôi cấy tế bào, mà còn có thể triển khai ứng dụng cho các hướng nghiên cứu sinh học khác trên cả đối tượng vi sinh, thực vật, động vật.

Nghiên cứu hiện tại cho thấy vi trọng lực mô phỏng làm giảm các protein điều hòa chu kỳ tế bào, làm tăng tỉ lệ tế bào đi vào pha nghỉ. Vi trọng lực mô phỏng cũng làm giảm sự biểu hiện của các protein cấu trúc chính, dẫn đến sự tái tổ chức bộ khung xương tế bào của các tế bào.

Những kết quả này cho thấy sự tăng sinh bị ức chế của các tế bào tiếp xúc với vi trọng lực mô phỏng có thể liên quan đến sự suy giảm của các chất điều hòa liên quan đến chu kỳ tế bào và các protein cấu trúc nên bộ khung tế bào. Kết quả này cũng tương tự với một số kết quả đã được thực hiện trên trong điều kiện vi trọng lực thực trên trạm không gian ISS. Điều này cho thấy hệ thống 3D Clinostat này có thể được sử dụng để tạo ra các điều kiện vi trọng lực mô phỏng cho các nghiên cứu về sinh học trên mặt đất.