Các Nhà Khoa Học Dùng Cà Phê Điều Khiển Gene

Trong tương lai, con người có thể nối các phân tử, chẳng hạn như protein, kháng thể, DNA…, thành một mạch sinh học tồn tại ngay trong cơ thể. Cũng giống như những mạch điện trong nhà, mạch sinh học có thể làm được nhiều nhiệm vụ. Chẳng hạn như nó có thể bật sáng được các tế bào như bật bóng đèn trong nhà. Nó cũng có thể kích hoạt quá trình tiết insulin vào máu, giống như việc đóng cầu giao máy bơm để tưới vườn.

Tuy nhiên, nếu việc bật bóng đèn cần công tắc, để đóng một mạch sinh học sẽ cần đến điều gì? Khoảng cuối tháng 06/2018, các nhà khoa học đã tìm ra được một chiếc công tắc hoàn hảo: Cà phê. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí chí Nature Communications, dẫn đầu bởi giáo sư Martin Fussenegger tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ. Trong đó, họ đã lắp một mạch sinh học có tác dụng giải phóng hooc-môn làm tăng tiết insulin, sau đó cấy nó vào cơ thể những con chuột mắc bệnh tiểu đường type 2.

Sử dụng caffeine làm công tắc cho mạch sinh học, các nhà khoa học có thể bật nó bằng cách cho những con chuột uống cà phê. Sau khi họ làm điều đó, mạch sinh học đã hoạt động. Mức hooc-môn và insulin tăng làm giảm đường huyết trong máu của những con chuột, giúp chúng điều trị bệnh.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, caffeine có thể được sử dụng như một chất kích thích mạch di truyền tổng hợp. Thậm chí, chúng ta có thể ứng dụng để làm nhiều việc hữu ích, bao gồm cả điều trị y tế. Giáo sư Fussenegger và các đồng nghiệp cho biết: “Chúng tôi nghĩ caffeine là một ứng cử viên đầy hứa hẹn trong công cuộc tìm kiếm những chất cảm ứng phù hợp nhất cho sự biểu hiện gen”

Từ lâu, các nhà nghiên cứu sinh học tổng hợp đã cố gắng tìm ra các chất cảm ứng có thể đóng vai trò như chiếc công tắc trong các mạch sinh học nhân tạo. Nhưng tất cả các lựa chọn trước đó đều có vấn đề. Hai trong số các ứng viên tiềm năng là thuốc kháng sinh, thứ có thể thúc đẩy tình trạng vi khuẩn kháng thuốc và phụ gia thực phẩm, có thể gây ra nhiều tác dụng phụ. Caffeine hiện đang tỏ ra nổi bật nhất. Nó là một sản phẩm không độc hại, rẻ tiền và rất phổ biến. Caffeine cũng đang được tiêu thụ thường xuyên bởi con người, với hơn hai tỷ tách cà phê được uống mỗi ngày trên toàn thế giới.

Các nhà khoa học viết trong báo cáo nghiên cứu: “Tận dụng thói quen trong văn hóa thông thường như uống cà phê và trà, các liệu pháp dựa trên các hệ thống tương tự sẽ được tích hợp một cách nhịp nhàng vào lối sống của con người, do đó có thể tạo nên một trụ cột quan trọng cho sự hình thành của kỷ nguyên mới, điều trị y tế cá nhân hóa”

Mạch điện sinh học để bật sáng tế bào

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học Thụy Sĩ đã nối các mảnh phân tử sinh học thành một mạch điện. Thành phần cốt yếu của chúng là một phân tử có thể đáp ứng với caffeine trong máu. Và họ đã sử dụng một kháng thể được tạo ra bởi lạc đà, kháng thể có thể phát hiện caffeine, làm điện cực cho mạch sinh học của mình.

Kháng thể thường là các protein giúp cơ thể phát hiện thành phần chất lạ xâm nhập cơ thể như virus và vi khuẩn. Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để tạo ra các kháng thể mới, có khả năng phát hiện được các chất cụ thể mà họ muốn. Bằng cách tiêm caffeine vào những con lạc đà, cơ thể chúng đã tiết ra được các kháng thể để phát hiện caffeine gọi là aCaffVHH. Các nhà khoa học chỉ cần thu thập kháng thể để dùng cho nghiên cứu.

Nhóm dự định khai thác một hiệu ứng gọi là nhị trùng hóa, khi aCaffVHH gặp caffeine, chúng sẽ kết hợp lại với nhau thành một hợp chất mới. Nó có thể kích hoạt, bật hoặc tắt biểu hiện gen. Cụ thể, aCaffVHH và caffeine đã được dùng để bật một hệ thống gọi là EpoR, qua đó kích hoạt STAT3, một yếu tố phiên mã liên kết với DNA để kiểm soát sự biểu hiện gen.

Trong một thử nghiệm ban đầu, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch sinh học để STAT3 gắn vào vị trí DNA kiểm soát sự giải phóng một enzym tên là SEAP, có chức năng phân tách một chất nền cụ thể mà các nhà nghiên cứu đã rắc lên các tế bào trong phòng thí nghiệm. Khi được phân tách bởi SEAP, chất nền sẽ phát sáng. Nên nếu có các tế bào phát sáng, các nhà nghiên cứu biết mạch gen tổng hợp đã hoạt động và SEAP đã được bật.

Quá trình giống như việc mắc một mạch kín, từ caffeine như chiếc công tắc đến aCaffVHH như một điện cực, rồi nối vào EpoR có vai trò một bảng mạch, đến STAT3 như một điện cực khác, gắn vào DNA để bật SEAP làm sáng bóng đèn là các tế bào. Nó cũng giống như bài tập lắp một mạch kín để làm sáng bóng đèn.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống mới trong các tế bào gốc bất tử. Họ nhận thấy chỉ cần một lượng nhỏ caffeine đã có thể đóng mạch sinh học và khiến các tế bào gốc phát sáng. Nhóm tiếp tục thử nghiệm các tế bào dưới tác động của các thức uống thực tế chứa caffeine như cà phê Nespresso Grand Cru, Starbucks, nước tăng lực Red Bull, trà Cuida Te và Coca-Cola. Tất cả đều có tác dụng.

Chữa tiểu đường, những mạch sinh học tương lai trong cơ thể

Một thí nghiệm phức tạp đã chứng minh được caffeine có thể giữ vai trò của một chiếc công tắc trong mạch sinh học. Nhưng để chứng minh những ứng dụng tiềm năng thực tế của nó, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mạch sinh học mới ngay trên cơ thể những con chuột bị tiểu đường type 2. Thay vì nối STAT3 với vị trí DNA sản xuất SEAP, họ nối nó với một gen mã hóa GLP-1, hay còn gọi là glucagon, một hooc-môn nhân tạo tổng hợp giống như peptide-1. Hooc-môn sẽ kích thích quá trình sản xuất insulin để làm giảm lượng đường trong máu. GLP-1 tổng hợp được coi là một phương pháp điều trị tiềm năng cho bệnh tiểu đường type 2, căn bệnh đang ảnh hưởng đến hơn 400 triệu người trên toàn thế giới.

Các nhà nghiên cứu đóng gói các tế bào gốc sản xuất GLP-1 trong một viên nang, sau đó cấy viên nang vào khoang cơ thể của những con chuột mắc bệnh tiểu đường type 2 gây ra bởi chế độ ăn uống. Sau đó, họ cho những con chuột uống cà phê Nespresso hàng ngày. Kết quả là caffeine thấm vào bên trong viên nang và GLP-1 được giải phóng. Những con chuột đã hạ được mức đường huyết xuống ngang với những con chuột bình thường. Chúng cũng có nồng độ insulin cao hơn nhiều so với chuột tiểu đường không được điều trị.

Quan trọng hơn, việc tiêu thụ caffeine hàng ngày không gây ra bất kỳ vấn đề nào ở chuột, chẳng hạn như chúng không tăng nhịp tim hoặc mức đường huyết cũng không hạ thấp đến mức nguy hiểm. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng đồ uống không chứa caffeine không có tác dụng bật mạch sinh học.

Giáo sư Fussenegger và nhóm nghiên cứu rất lạc quan về kết quả. Họ cho rằng hệ thống mạch sinh học dựa trên caffeine có thể được khai thác để sử dụng cho các liệu pháp điều trị trong tương lai. Thậm chí, các nhà khoa học còn cho rằng các mạch có thể được tinh chỉnh theo hướng cá nhân hóa, để phù hợp với sở thích uống cà phê của mỗi bệnh nhân.

Về bản chất, nó có thể giống như một chiếc chiết áp điều khiển độ sáng bóng đèn hoặc tốc độ quay của quạt trần. Hiện vẫn còn nhiều việc phải làm cho đến khi các nhà khoa học có thể thử nghiệm những mạch sinh học liên quan đến DNA trên người. Giống như những mạch điện ngoài đời thực, các nhà khoa học cũng sẽ phải kiểm tra độ an toàn của mạch sinh học. Liệu nó có thể bị chập, gây ảnh hưởng đến các chức năng khác của cơ thể hay không? Liệu caffeine có làm gián đoạn giấc ngủ của người dùng? Và quan trọng hơn hết, mắc một mạch sinh học lớn trên cơ thể người liệu có khả thi?

Dù vậy, ngay sau nghiên cứu trên chuột, giáo sư Fussenegger và các đồng nghiệp đã rất lạc quan, kỳ vọng vào một thế giới tương lai, nơi mọi người có thể vào một quán cà phê để chữa bệnh bằng cách mua một chiếc công tắc cho hệ thống mạch sinh học đã được mắc ngay trong cơ thể mình.