Câu chuyện về người đàn ông với tham vọng giúp người bị tai nạn mọc lại chi

06.08.2017

Tại viện nghiên cứu Allen Discovery thuộc trường Đại học Tufts (Mỹ), giáo sư di truyền học Michael Levin 47 tuổi và các cộng sự của mình vẫn đang miệt mài đi tìm lời đáp cho một vấn đề gây lúng túng cho giới khoa học trong nhiều thế kỷ qua: Làm thế nào mà cơ chế phân bào có thể xác định xem đâu là bên trái hay phải để phát triển nên những bộ phận như tim, gan bên trong cơ thể chúng ta? Lịch sử ghi nhận có vô số người chào đời với một số, thậm chí là tất cả cơ quan nội tạng đều bị đảo ngược vị trí nhưng vẫn hoạt động. Giáo sư Levin, người từng có thời gian công tác tại trường Y Harvard nghi ngờ ADN không phải là nguyên nhân duy nhất của vấn đề.

Từ những ngày đầu của nghiên cứu, ông đã tiến hành các chẩn đoán hình ảnh đối với phôi gà trước khi chúng phát triển đến mức định trước. Vào thời khắc thu nhận kết quả, ông nhìn chằm chằm vào nó và thật sự kinh ngạc, các điệntích được thể hiện với hai màu vàng và đỏ đang di chuyển ngang qua các tế bào theo từng mảng, từ trái sang phải. Mọi thứ rõ ràng đến mức Levin chẳng thể tin vào mắt mình. Đó là lần đầu tiên trong lịch sử người ta có thể chứng kiến các tế bào phôi “trò chuyện” với nhau từ trái sang phải thông qua điện tích.

Trải qua nhiều thập kỷ, di truyền học đã dạy cho chúng ta một sự thật đơn giản: Mỗi tế bào trong cơ thể (vốn có hàng tỷ tế bào) mang trong nó một kế hoạch chi tiết để “ra lệnh” cho cơ thể phải phát triển như thế nào. Tuy nhiên, đó vẫn chưa phải là toàn bộ câu chuyện. Levin và một số nhà khoa học khác cho rằng các tín hiệu điện sinh học bé xíu bên trong và băng ngang qua các tế bào của chúng ta đóng vai trò như một bộ hướng dẫn nhằm kích hoạt biểu hiện thông tin di truyền. Những tín hiệu này chỉ cho các tế bào đi đúng hướng khi chúng bắt đầu phát triển thành các cơ quan như tim, đồng thời ảnh hưởng đến hình dạng và chức năng của cơ thể. Trong suốt 20 năm qua, Levin đã và đang cố gắng chứng minh điều đó.

Dựa vào niềm tin đó, ông đã tạo ra những thứ tưởng chừng như chỉ có trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng; buộc nòng nọc phát triển mắt trong ruột, ếch mọc 6 chân, sâu 2 đầu với khả năng mọc lại khi bị cắt đứt - tất cả đều được thực hiện bằng cách vận dụng những tín hiệu điện sinh học yếu ớt. Giờ đây, Levin biết rằng điều tương tự có thể sẽ được thực hiện trên con người vào một ngày nào đó. Với ý tưởng này, nếu một người lính không may bị mất cánh tay trên chiến trường, anh ta đơn giản sẽ có thể mọc ra một cái mới.

“Tôi không biết liệu quá trình này có diễn ra nhanh hơn quá trình tự nhiên hay không”, Levin nói khi ngồi trong phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Tufts, nơi ông đang làm việc và chăm sóc những đứa “con cưng” của mình. “Kịch bản tệ nhất là: nếu bạn mất cánh tay lúc 25 tuổi thì đến khi 35 tuổi bạn sẽ có bàn tay của một thiếu niên, và nó hoàn toàn có chức năng”. Được biết, bên trên bề mặt của mỗi tế bào có những lỗ nhỏ và bên trong những lỗ này chính là hệ thống các kênh protein đóng vai trò vận chuyển ion. Nhờ các kênh này, ion đi vào và ra khỏi tế bào, tạo nên sự khử cực - tái khử cực và gradient điện thế (sự khác biệt về điện áp trên toàn cơ thể).

Sẽ có những cánh cổng nhỏ bên trong các kênh để điểu chỉnh dòng chảy, mở và đóng dựa trên tín hiệu nhất định. Khi cổng mở ra, các ion sẽ tràn vào tế bào và thay đổi điện tích. Tế bào truyền thông tin đến các tế bào bên cạnh thông qua một nhóm các protein khác gọi là “nút giao thoa”. Bằng cách sử dụng những công cụ hiển vi như chất độc thần kinh, Levin có thể dễ dàng mở hoặc đóng các kênh này, làm cho tế bào bị tràn ngập bởi một loại ion nào đó hoặc bóp nghẹt chúng. Trong quá trình như vậy, ông đã tạo ra những sinh vật chưa từng được thiết kế và ít người trong số chúng ta có thể tưởng tượng ra được.

“Điểm kết của lĩnh vực này chính là hoàn thành các đặc điểm về hình dạng. Bạn có thể ngồi trên máy tính, dùng các công cụ như Photoshop để vẽ ra những thứ bạn muốn. Nếu bạn nói ‘Tôi muốn có một con ếch hình tam giác với 7 cái chân và đôi mắt thì nên nằm ở đây’, tôi không có bất kỳ lý do nào ngăn cản bạn làm điều đó”.

Mặc dù nhận được những ủng hộ nhất định, trong đó bao gồm người cố vấn của ông tại đại học Harvard - nhà sinh học phát triển Cliff Tabin, tuy nhiên, bên cạnh đó vẫn còn rất nhiều câu hỏi gây tranh cãi xung quanh lĩnh vực mà Levin đang theo đuổi. Thậm chí chính Tabin nhiều khi cũng tỏ ra hoài nghi. Giới di truyền học ngày nay tin rằng các kênh ion đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành và sắp xếp các cơ quan trong cơ thể, nhưng nhiều người nghi ngờ về khả năng làm chủ cơ chế này của Levin.

"Làm thế nào để bạn kiểm soát nó?", Tabin hỏi. "Nếu bạn đang thiết kế một hệ thống logic, làm thế nào để bạn quyết định đâu là vị trí để hình thành cái đầu và ngược lại là đuôi? Bạn có thể cần các kênh protein để thực hiện các quyết định này, nhưng đó có thể không phải là cốt lõi của vấn đề”.

Levin không đồng ý. Động lực thúc đẩy ông miệt mài nghiên cứu lĩnh vực này sau cùng là để chứng minh ông có thể sử dụng điện sinh học để chữa lành bất cứ thứ gì. Levin nói: "Đó là con ếch sáu chân mà chúng tôi đã tạo ra, cho thấy bạn có thể kích hoạt sự hình thành chân tay bằng gradient điện thế thích hợp". Trong buổi tiếp xúc với truyền thông, ông hiếm khi giấu được sự ngạc nhiên, hài hước, hoặc thậm chí là một chút tự mãn với những gì ông đã làm. Ngoài hành lang văn phòng làm việc chính là nơi trưng bày của những sáng tạo có phần ghê rợn và những tấm poster kích thước lớn nói về những sinh vật kỳ lạ đã được tạo ra trên các tạp chí khoa học.

 


Khi Levin 10 tuổi, cha ông một ngày nọ đã mang về nhà chiếc máy vi tính từ công ty Digital Equipment Corporation - nơi ông ấy đang làm việc. Levin đã dùng nó để truy cập vào hệ thống máy chủ của công ty để học lập trình. Năm 15 tuổi, ông tạo ra một phiên bản khác của trò Pac-Man nhờ chương trình biên tập đồ họa phần mềm, mà sau đó được xuất bản thành một bài báo cho thấy cách sử dụng phép đo lượng giác để vẽ các hình dạng 3D trên một màn hình 2D.

Một năm sau đó, tức năm 1986, cha của Levin đưa gia đình tới Vancouver (Canada) để tham dự hội chợ thế giới Expo 86. Đó là trải nghiệm đã thay đổi cuộc đời của Levin mãi mãi. Có rất nhiều thứ để hấp dẫn một cậu nhóc đang ở độ tuổi thích khám phá mọi thứ tại một triễn lãm lớn như vậy, tuy nhiên, thứ tạo cho Levin nguồn cảm hứng lớn nhất lại đến từ một hiệu sách nhỏ xíu. Trong lúc đang lục lọi những quyển sách trên kệ của cửa hàng, ông vô tình tìm thấy một bản copy của cuốn The Body Electric: Electromagnetism And The Foundation Of Life viết bởi Robert Becker và Gary Selden. Becker - một bác sĩ phẫu thuật chỉnh hình làm việc tại Cơ quan Cựu chiến binh Hoa Kỳ đã quá quen thuộc với điện sinh học: cách cơ thể chúng ta tương tác với từ trường (như dây điện) cũng như các xung lực hỗ trợ cho cơ và não của chúng ta vận hành.

Từ những năm 1780, nhà vật lí người Ý Luigi Galvani đã phát hiện ra sự hiện diện của điện trên cơ thể động vật bằng cách gắn các điện cực vào chân ếch chết và làm cho nó co lại. Sau đó, các nhà khoa học khác cũng đã tìm được bằng chứng cho thấy các ion đóng vai trò mang năng lượng đi khắp cơ thể. Mãi cho đến những năm 1930 - 1940, sự ra đời của các công cụ hiện đại hơn mới giúp các nhà nghiên cứu biết rằng những dòng ion có thể kiểm soát điện cực của tế bào.

Trong quyển sách của mình, Becker trích dẫn những nghiên cứu này và thêm vào đó nhiều thông tin chi tiết hơn từ các thí nghiệm của riêng ông. Trong một thử nghiệm, ông đã tiến hành cắt bỏ chi của ếch và kỳ nhông, sau đó đưa vôn kế vào vị trí vết thương. Ông nhận thấy trong vòng 24 tiếng kể từ khi phẫu thuật cắt cụt chi diễn ra, điện áp ở vùng có vết thương của cả 2 loài đã tăng từ -10 mV lên +20. Tuy nhiên, điện áp ở kỳ nhông sau đó đã hạ xuống mức -30 mV, một dấu hiệu trước khi sự tái sinh chi diễn ra. Becker tự hỏi nếu có thể thay đổi điện áp đối với ếch, liệu điều tương tự có xảy ra? Mặc dù nghĩ đó là điều khả thi nhưng vào thời điểm đó, ông không có dụng cụ để thử thực hiện.

Levin khi ấy mới 16 tuổi đã luôn bị kích thích sự tò mò bởi câu hỏi này. Khi trở về nhà, ông theo dõi từng nghiên cứu mà Becker trích dẫn, đọc nó và xem thêm hàng trăm các tài liệu tham khảo khác. Ám ảnh về vấn đề đó đối với ông có thể chỉ là sở thích, một dự án lớn trong đời mà ông ấp ủ thực hiện bên cạnh công việc thực sự: lập trình. Tuy nhiên, sở thích ấy gần như luôn ảnh hưởng đến những gì ông thực hiện trong công việc của mình sau này.

Như một chuyên gia máy tính khi còn học tại Tufts, ông muốn tạo ra một trí thông minh nhân tạo và tất nhiên, nó phải có khả năng tự sửa chữa khi cần thiết. Nhưng để tìm hiểu làm thế nào để giúp cho một cỗ máy có thể thực thi điều đó, trước tiên ông cần phải tìm ra cách “tự nhiên hóa” nó. Ông mượn những cuộn nam châm từ phòng thí nghiệm vật lý, quấn chúng xung quanh một cái phôi của loài nhím biển và tiến hành đo đạc nhằm theo dõi cách thức sóng điện từ có thể thay đổi tỷ lệ phân chia tế bào - phát hiện này đã được xuất bản thanh hai bài báo khoa học đầu tiên của ông.

Năm cuối cấp, ông đã bắt đầu làm việc tại một công ty phần mềm nhưng trong thâm tâm, điều ông thật sự muốn là gia nhập vào một phòng thí nghiệm nào đó để nghiên cứu khoa học. Vì vậy, Levin xin thôi việc và nhanh chóng tìm thấy vị trí của mình tại phòng thí nghiệm của Tabin ở Trường Y Harvard. Lúc bấy giờ, nhóm nghiên cứu của Tabin đã xác định được một gen đóng vai trò báo hiệu cho sự phát triển của phía bên trái cơ thể. Họ nắm được một chút thông tin về những gì diễn ra trong các giai đoạn sau nhưng vẫn chưa lý giải được cơ chế đằng sau đó.

“Tôi có một số sinh viên thật sự thông minh, tài năng và đầy tham vọng; nhưng không ai trong số họ sẵn sàng đào sâu vào nghiên cứu điều đó”, Tabin nói. Họ không muốn phải đứng trước nguy cơ vứt bỏ nhiều năm của cuộc đời vào một cái hố đen sâu thẳm. Ngay khi bước vào phòng thí nghiệm, Levin mặc dù khi ấy vẫn mang trên mình nhiều hoài nghi về năng lực từ người cố vấn luận án, đã xắn tay vào giải quyết vấn đề hóc búa ấy. Levin có thể nhận ra “một cách chính xác” rằng đó là một phần mà khoa học chưa khám phá, theo Tabin. “Khi cậu ấy cho rằng thứ mình nghĩ là một ý tưởng tuyệt vời, cậu ấy sẽ không lo lắng về những gì người khác nghĩ", Tabin nói.

Levin sau đó đã tìm thấy các gen khác đóng vai trò kiểm soát sự đối xứng trái-phải của các bộ phận trên cơ thể, và phát hiện này đã soi rọi cho con đường di truyền hỗ trợ cho tham vọng bấy lâu của ông.

Không bằng lòng với khám phá mới bởi ông tin rằng còn một thứ gì đã thúc đẩy cho các tín hiệu làm việc, do đó, ông đã tiếp tục miệt mài nghiên cứu. Đến năm 2000, ông biết “thứ gì đó” chính là điện sinh học nhưng hiểu rõ hơn về cách thức làm việc của công cụ này cũng là vấn đề cần quan tâm. Người cộng sự của ông lúc đó đang làm việc với một dụng cụ có thể làm cho các tế bào huỳnh quang chuyển sang màu đỏ, xanh lục và xanh dương theo điện áp. Levin đã yêu cầu người này thử ứng dụng công cụ đó trên phôi gà.

Mùa xuân năm 2000, điện được chứng minh đóng một vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi thông tin di truyền trong tế bào, ảnh hưởng đến vị trí và thời gian các cơ quan phát triển. Thúc đẩy các bộ phận mọc lại nhờ kích thích không phải là điều gì đó quá mới mẻ. Vào những năm 1970, những người tiên phong trong lĩnh vực này như nhà sinh vật học Lionel Jaffe và Richard Borgens đã cho thấy họ có thể đẩy mạnh sự khởi đầu của quá trình tái sinh chi ở ếch bằng cách sử dụng dòng điện. Nhưng những thí nghiệm vào thời đó chỉ được thực hiện dựa trên nguồn pin đơn giản. Levin là người đầu tiên có thể điều chỉnh chính xác tín hiệu điện sinh học ở cấp độ tế bào đồng thời cố gắng giải mã ý nghĩa đằng sau những tế bào đó.

Tại Tufts, ông đã phát triển một hộp công cụ phức tạp để làm việc này. Trong số những công cụ đó bao gồm chất độc thần kinh và thuốc ngăn chặn các kênh ion; RNA có thể mã cho các kênh mới được Levin tiêm vào các tế bào thông qua Micropipette; Các phân tử có thể vận chuyển ion qua màng tế bào; Và các gen mã hóa cho các kênh ion.

Ông theo dõi những ảnh hưởng sau khi thay đổi điện áp nhờ sử dụng các protein huỳnh quang và thuốc nhuộm, những thứ có thể phát sáng mạnh hơn khi gradient điện thế tăng. Mỗi bề mặt tế bào chứa hàng trăm kênh dẫn ion, nhưng chỉ có một hoặc hai kênh là chi phối gradient điện áp. Chính vì điều này, Leivn có thể dễ dàng can thiệp vào chúng. Ví dụ, chỉ có 4 kênh hoạt động như những bộ điều khiển chính xác nhằm định vị cho cơ quan phá triển ở bên phải cơ thể. Chỉ cần điều chỉnh một trong số các kênh cũng có thể thay đổi vị trí của các cơ quan. Minh chứng cho điều này, Levin đã có thể cho mọc một con mắt bên trong ruột của nòng nọc chỉ qua việc bổ sung thêm một kênh protein.

"Nếu bạn đặt câu hỏi rằng 'Con mắt đó đến từ đâu?’, hãy nhìn vào phôi thai và bạn có thể thấy rằng sự xuất hiện của một dạng điện sinh học đặc biệt tạo nên vùng mắt nội sinh", Levin giải thích. "Bây giờ, nếu tôi thiết lập mô hình đó ở một vị trí khác, tôi sẽ có được một con mắt ở đó? Câu trả lời là có”.

Trong một nỗ lực khác nhằm giúp nòng nọc mọc lại đuôi, Levin đã ngâm vết thương của nó trong một dung dịch suốt 1 giờ để các ion tích điện tràn vào trong các tế bào. 8 ngày sau, chiếc đuôi mới đã hình thành. Mặc dù thực hiện thành công ý tưởng của mình trên nòng nọc, song Levin phải đối mặt với những thách thức đáng kể để làm điều tương tự trên cơ thể con người hoặc bất kỳ động vật có vú máu nóng nào khác.

Thứ nhất, động vật máu nóng có huyết áp cao hơn nhiều loài bò sát. Vì vậy, nguy cơ chảy máu nơi vết thương cũng nhiều hơn. Thứ hai, chi của động vật máu nóng thường có khuynh hướng phát triển chậm hơn, thế nên nguy cơ bị nhiễm trùng cũng cao hơn. Và cũng như bất kỳ động vật nào khác, việc cơ thể đối phó với nhiễm trùng có thể ức chế sự phát triển của tế bào. Ngoài ra, để dẫn dòng điện quanh vết thương, khu vực đó phải được giữ ẩm và ngăn không cho tiếp xúc với không khí.

Levin cùng với David Kaplan - người đứng đầu bộ phận kỹ thuật y sinh học của Tufts, đã phát triển một môi trường sinh học khép kín (BioDome) bao quanh vết thương con vật. Hy vọng của Levin là người bị mất chi chỉ cần đeo nó vài giờ nhưng phải đủ lâu để cho các tế bào tín hiệu bắt đầu phát triển. BioDome được làm từ silicone, cao su và vải lụa, bên trong là môi trường thủy sinh tương tự như những gì bao quanh phôi thai nhưng khác ở chỗ là nó được lắp đầy bởi các loại ion chi phối quá trình tái sinh chi mới. Hiệu quả của công cụ này đã được chứng minh trên ếch, giúp cho những con ếch có thể mọc lại chân. Ngoài ra, sản phẩm của Levin cũng có thể sẽ sớm thay đổi cách chúng ta điều trị ung thư.

Tháng 3 vừa qua, ông và các đồng nghiệp với nghiên cứu của họ đã trở thành chủ đề trên các tờ báo lớn trên toàn thế giới khi có thể đảo ngược quá trình phát triển của khối u ung thư nhờ sử dụng ánh sáng để điều chỉnh tín hiệu điện sinh học. Levin cho biết nhiều khối u ung thư có tín hiệu điện sinh học bất thường, và ông tin rằng các tín hiệu mạnh mẽ này đóng một vai trò nhất định trong việc phát triển và lan rộng của ung thư.

Thay vì sử dụng phương pháp hóa trị vốn có nguy cơ cao gây tổn hại cho cơ thể, một ngày nào đó chúng ta có thể sẽ chứng kiến ung thư được điều trị nhờ giúp cho tế bào trở lại trạng thái bình thường. Bên cạnh việc hỗ trợ quá trình mọc lại chi và chữa ung thư, Levin kỳ vọng phương pháp của mình có thể đảo ngược di tật bẩm sinh ngay từ giai đoạn phôi thai. Những thí nghiệm về vấn đề này đã được thực hiện thành công trên ếch. Hiện nay, các bác sĩ cũng đã bắt đầu sử dụng các loại thuốc tác động đến kênh ion để điều trị một số dạng bệnh tim và thần kinh nhất định. Levin cho rằng những loại thuốc tương tự cũng có thể được sử dụng để điều trị bệnh ung thư và khắc phục các dị tật bẩm sinh nếu phát hiện ngay từ trong phôi, bằng cách khôi phục các tín hiệu cần thiết. "Tôi muốn bỏ tiền đầu tư vào cách này để điều đó xảy ra trong vòng 25 năm tới. Tôi biết rằng mình bảo thủ nhưng tôi nghĩ trong cuộc đời của mình, chúng tôi sẽ chứng kiến điều đó trở thành sự thật”.

Levin có niềm tin vào chính những ý tưởng của mình nhưng không phải ai cũng vậy. Hầu hết các nghiên cứu về y học tái tạo đang được thực hiện xoay quanh bộ gen và các tế bào gốc. Mặc dù một số nhà khoa học cho rằng họ đang quá tập trung vào các vấn đề trên mà bỏ qua những yếu tố tiềm năng khác, trong đó bao gồm điện sinh học. Tuy nhiên, khoa học nói chung vẫn chưa sẵn sàng để chấp nhận khẳng định của Levin rằng điện sinh học là yếu tố chính.

Mặc cho những nghi ngờ kéo dài, Levin đã giành được sự hậu thuẫn mạnh mẽ cho các thí nghiệm của mình từ Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ. Tháng 4 năm ngoái, tổ chức Paul G. Allen Frontiers Group đã trao cho ông khoản tài trợ trị giá 10 triệu USD và có thể lên tới 30 triệu đô la. Thomas C. Skalak, giám đốc điều hành của nhóm, nhớ lại phản ứng sau khi Levin hoàn thành bài thuyết trình: “Trái Đất dường như sụp đổ. Mọi người nói rằng bài thuyết trình đã thay đổi toàn bộ quan điểm về sinh học, rằng họ chưa bao giờ thấy thông tin về những bằng chứng có thể tạo nên sự thay đổi vĩnh viễn về hình thái học của một sinh vật trên mức độ thay đổi di truyền. Đó thật sự là một bất ngờ”. Ngoài ra, ông hy vọng Levin có thể tạo ra một lĩnh vực mới trong khoa học sinh học và đơn nhiên, Levin cũng vậy.

Mục tiêu tham vọng nhất của ông là phát triển bất kỳ thứ gì ông muốn, dù đó là trong phòng thí nghiệm hay trong tử cung. Với mức độ kiến thức như vậy, ông có thể chữa bất kỳ chứng bệnh nào. Hiện tại, Levin đang sử dụng các kỹ năng máy tính của mình để hiện thực hóa điều đó. Ông đang thiết kế các mô hình tính toán và các chương trình trí tuệ nhân tạo khác nhau để phân tích và dự đoán sự thay đổi gradient điện thế ảnh hưởng đến hình dạng và chức năng của cơ thể, đồng thời “bẻ khóa" mã sinh học để kiểm soát nó hoàn toàn.

Quá trình mọc lại một cánh tay nhờ biện pháp điện sinh học:

 

 

 

 

 

 Nguồn: Tinh tế

 

Share on Facebook
Share on Twitter
Please reload

  • Untitled-2