Vào thế kỷ 16, nhà vẽ bản đồ người Bỉ Abraham Ortelius đã tạo ra tập bản đồ hiện đại đầu tiên trên thế giới - một bộ sưu tập bản đồ mà ông gọi là “Nhà hát của thế giới”. Các bản đồ do Ortelius và những người khác vẽ đã trình bày chi tiết những kiến ​​thức tốt nhất vào thời điểm đó về các lục địa, thành phố, núi, sông, hồ và đại dương trên thế giới, đồng thời giúp mở ra một sự hiểu biết mới về địa lý toàn cầu.

Tương tự như vậy, việc tạo ra các bản đồ tế bào - bản đồ các cơ quan và cơ thể được xây dựng theo từng tế bào - đang báo trước một kỷ nguyên mới trong hiểu biết của chúng ta về sinh học. Các công nghệ hình ảnh và giải trình tự mạnh mẽ được phát minh trong thập kỷ qua đang tiết lộ chi tiết chưa từng có về thành phần của các cơ quan và mô của con người, từ tuyến tụy và gan đến nhau thai, cũng như thành phần của các động vật khác như chuột và ruồi giấm. Với những công cụ mới này, các nhà nghiên cứu có thể lấy dấu vân tay của từng tế bào dựa trên loại gen mà chúng đang biểu hiện. Thông tin đó đã tiết lộ những khác biệt tinh tế và không thể nghi ngờ giữa các tế bào và bắt đầu làm sáng tỏ sự đa dạng của các loại tế bào có thể cần thiết như thế nào đối với hoạt động khỏe mạnh của các cơ quan.

“Chúng ta đang ở thời điểm tuyệt vời này trong khoa học, nơi chúng ta có thể hiểu được thành phần của các loại tế bào này,” cho biết. Steve quake, một kỹ sư sinh học và nhà lý sinh học tại Đại học Stanford, người đã giúp phát triển các công nghệ tạo ra bản đồ tế bào. “Nó đã thay đổi cách chúng ta hiểu về hoạt động sinh học của con người.”

Hai nỗ lực tập bản đồ tế bào, một phần của Viện Y tế Quốc gia Cuộc điều tra tế bào não trị giá 250 triệu đô la, điều đó vừa công bố những phát hiện của họ minh họa cho sự phấn khích đang dâng trào trong lĩnh vực này. Trong ngày Thiên nhiên, một liên minh các phòng thí nghiệm đã công bố chín nghiên cứu tổng hợp một tập bản đồ chi tiết của não chuột - tập bản đồ não động vật có vú toàn diện nhất cho đến nay. Nó mô tả hơn 5,300 loại tế bào được tìm thấy trên khắp cơ quan. Cách các tế bào này được phân bố và liên quan với nhau gợi ý nhiều ý tưởng hấp dẫn về sự tiến hóa của não động vật có vú.

Tháng trước, trong một đóng góp mang tính bước ngoặt khác cho dự án bản đồ tế bào, một mạng lưới cộng tác viên toàn cầu đã xuất bản một bộ giấy tờ in Khoa học các tạp chí ghi lại sự đa dạng và phức tạp đáng kinh ngạc của tế bào trong bộ não con người. Nó không phải là một tập bản đồ hoàn chỉnh vì các nhà khoa học chỉ mô tả sơ lược các mẫu tế bào trên khắp cơ quan. Tuy nhiên, nó cung cấp bản đồ chi tiết nhất về bộ não con người từng được tạo ra.

Do đó, rõ ràng là bộ não con người chứa ít nhất 3,300 loại tế bào thần kinh riêng biệt, mỗi loại biểu hiện một bộ gen khác nhau, điều này cho thấy rằng các tế bào có thể phục vụ một loạt các chức năng hơi khác nhau. Hóa ra, phần lớn sự đa dạng này nằm ở những vùng não cổ xưa ít được nghiên cứu và tiến hóa hơn.

Bản đồ tế bào não người này chỉ là một phiên bản đầu tiên. Khi các nhà khoa học tiếp tục nhiệm vụ kiểm đếm và phân loại từng tế bào trong não, họ có thể sẽ xác định được hàng nghìn loại tế bào bổ sung.

Định vị và mô tả sự đa dạng của các tế bào chỉ là bước đầu tiên. Sau đó, các nhà khoa học phải tìm ra chức năng của các tế bào và cách chúng khớp với nhau. Vì lý do đó, Quake và những người khác đang nỗ lực ghép các bản đồ tế bào trên khắp cơ thể con người lại với nhau thành một tập bản đồ tế bào người đầy đủ: một bản đồ tham chiếu tổng thể về con người có thể giúp phân biệt những tế bào cụ thể nào trong đó các mô bị sai sót gây ra. nhiều bệnh khác nhau. Theo các nhà nghiên cứu quen thuộc với tình trạng của tác phẩm, bản thảo đầu tiên của tập bản đồ đó có thể sẽ được xuất bản khoảng hai năm nữa.

Mặc dù vẫn còn ở giai đoạn đầu nhưng các nhà khoa học dự đoán rằng những bản đồ này sẽ trả lời các câu hỏi cơ bản về tế bào, cách chúng hoạt động và cách chúng có thể thay đổi trong suốt vòng đời của sinh vật. “Theo một cách nào đó, đó là một bước nhảy vọt về niềm tin, gần giống như Dự án Bộ gen Người,” nói. Micheal Angelo, phó giáo sư bệnh lý học tại Stanford. Tuy nhiên, “đó là một bước nhảy vọt về niềm tin rất chính đáng.”

Biểu hiện độc đáo của một tế bào

Cho đến cách đây chỉ vài năm, dựa trên các phân tích mô của chúng ta dưới kính hiển vi, hầu hết các nhà nghiên cứu đều tin rằng khoảng 36 nghìn tỷ tế bào trong cơ thể người trưởng thành chỉ có thể được phân loại thành vài trăm loại khác nhau: ba loại tế bào cơ, tế bào biểu mô và nguyên bào sợi ở da, các loại tế bào thần kinh trong hệ thần kinh, tế bào nội mô lót trong mạch máu, v.v. Nhưng những thành công của Dự án Bộ gen Người đã mời các nhà nghiên cứu xem xét cấu trúc tế bào của chúng ta sâu hơn, ở cấp độ di truyền.

Sự khác biệt trong tế bào của chúng ta không đến từ sự khác biệt về gen: Mỗi tế bào trong cơ thể bạn đều chứa một bản sao DNA đặc biệt của bạn và 20,000 gen tạo ra protein mà nó mã hóa. “Bộ gen là một danh sách các bộ phận,” Quake nói. “Không có cách nào để dự đoán loại tế bào nào sẽ xuất hiện từ một bộ gen nhất định.”

Để phân biệt tế bào bạch cầu với tế bào cơ ở cấp độ phân tử, các nhà khoa học phải xem xét RNA của tế bào. Các bản phiên mã RNA được sao chép từ trình tự DNA sẽ truyền các hướng dẫn tạo ra protein tới ribosome, trung tâm xây dựng protein của tế bào. Do đó, bản phiên mã RNA chứa thông tin về gen nào đang hoạt động và được biểu hiện trong một tế bào cụ thể.

Bằng cách sử dụng một bộ công cụ gen đơn bào mạnh mẽ, các nhà khoa học có thể đọc các mẫu biểu hiện này để lấy dấu vân tay của một tế bào. Những công cụ này đã được hoàn thiện trong vài năm qua để các nhà khoa học giờ đây có thể xem xét hàng chục nghìn hoặc thậm chí hàng triệu tế bào chỉ trong một thí nghiệm một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Quake nói: “Một khi đã có, thì không có gì ngăn cản bạn tạo một tập bản đồ. “Tất cả chỉ là xếp tầng.”

Bản đồ tế bào bắt đầu đổ về. Các nhà khoa học bắt đầu bằng cách kiểm tra biểu hiện gen trong từng tế bào từ sinh vật mẫu như ruồi giấm và chuột. Kể từ đó chúng chuyển sang con người. Trong năm qua, bản đồ của mạch máu, khối u, nhau thai, thận và ruột, cùng với các mô khác, đã được xuất bản trên các tạp chí nổi tiếng. Nhiều bản đồ trong số này không chỉ xem xét nhận dạng tế bào mà còn vạch ra chính xác vị trí của các tế bào đó trong các mô - thông tin quan trọng để hiểu tế bào nào có thể liên quan đến bệnh tật.

“Số lượng thu thập dữ liệu thật đáng kinh ngạc,” cho biết Elizabeth Rhea, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Đại học Washington, người không tham gia vào bất kỳ nỗ lực bản đồ tế bào nào. Cô phản ánh về tốc độ phát triển của công nghệ: 12 năm trước, khi còn là sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Vanderbilt, Rhea đã kiểm tra biểu hiện của một gen duy nhất trong não và gan đang phát triển của chuột. Bà nói: “Bây giờ chúng tôi có thể làm được điều đó, nhưng đối với mọi gen được biểu hiện ở mọi tế bào trong một đoạn mô”.

Với mỗi tập bản đồ tế bào mới, các nhà nghiên cứu phải tính toán mức độ phức tạp mà chúng đã thiếu trước đây. Anh ấy nói, việc xem lại dữ liệu đôi khi khiến Angelo cảm thấy như thể anh ấy đang xem những đoạn video lặp đi lặp lại vô tận về các fractal. “Bạn tiếp tục phóng to” và mô hình này tiếp tục vô tận; bạn càng khám phá, bạn càng nhận ra có nhiều điều để khám phá. “Rất nhiều thứ trong số này thật khó chịu.”

Điều này đã được chứng minh là đúng đối với nhiều cơ quan của con người - đặc biệt là não.

Sự đa dạng đáng kinh ngạc

Sự phức tạp của bộ não con người, trong cấu trúc và chức năng của nó, đã hạn chế khả năng hiểu nó của chúng ta. 86 tỷ tế bào thần kinh của nó là những tia lửa nhỏ kích hoạt suy nghĩ, nhận thức, cảm xúc và các chức năng quan trọng trên khắp cơ thể. Fabian Theis, giám đốc trung tâm sức khỏe tính toán tại Helmholtz Munich, người đang thực hiện một số nỗ lực tập bản đồ nhưng không tham gia vào tập bản đồ não, nhớ lại một đồng nghiệp đã nói với ông rằng bộ não giống như một sinh vật riêng biệt. “Nó giống như 100 cơ quan được kết hợp thành một,” ông nói.

Claudia Doege, phó giáo sư bệnh lý và sinh học tế bào tại Đại học Columbia, cũng đồng tình với quan điểm đó. Cô nói: “Bạn cần phải tập hợp nhiều người lại với nhau để giải quyết mớ hỗn độn lớn đó.

Doege nghiên cứu vùng dưới đồi, một phần cổ xưa và quan trọng của não đã phát triển để kiểm soát các chức năng cơ bản của cơ thể như nhiệt độ cơ thể, nhịp tim và cơn đói. Vào năm 2020, cô được mời giúp giải thích dữ liệu bản đồ não được thu thập từ các mô vùng dưới đồi - một cơ hội hiếm có để thăm dò vùng não được lấy mẫu không thường xuyên.

Đó là một “nhiệm vụ to lớn”, nói Hannah Glover, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Doege. Không ngừng chửi bới máy tính, Glover dành hàng tháng trời để nghiên cứu tài liệu và tập bản đồ tham khảo để xác định các gen biểu hiện ở các vùng khác nhau của não và so sánh chúng với các gen được tìm thấy ở vùng dưới đồi mới được phân tích.

Doege cho biết, phân tích cho thấy “sự đa dạng cực độ”. Họ đã xác định được hơn 350 quần thể tế bào thần kinh riêng biệt và 19 quần thể tế bào không phải tế bào thần kinh từ 10 vùng khác nhau trong vùng dưới đồi.

Các nhóm nghiên cứu khác làm việc về điều tra dân số tế bào não cũng ủng hộ điều này. Rebecca Hodge, trợ lý điều tra viên tại Viện Khoa học Não Allen ở Seattle, đồng tác giả của một số nghiên cứu mới Khoa học cũng phát hiện ra rằng hầu hết các loại tế bào đều nằm ở những phần cổ xưa về mặt tiến hóa của não.

“Đó là một trong những mô tả đầu tiên về sự đa dạng của tế bào nằm bên ngoài vỏ não,” Hodge nói, đề cập đến vùng não được nghiên cứu nhiều, nơi diễn ra các chức năng bậc cao như tư duy phản biện. “Có lẽ nó đang sơ sài về sự đa dạng thực sự của tế bào ở đó.”

Trên toàn bộ bộ não, các nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra hơn 3,300 loại tế bào thần kinh khác nhau - và tài liệu đó chắc chắn là chưa đầy đủ. Tập bản đồ toàn diện nhất về não chuột cho đến nay, được công bố ngày hôm nay, đã xác định được 5,300 loại tế bào, bao gồm cả tế bào thần kinh và tế bào thần kinh đệm. Dự án thiếu dữ liệu điều tra tế bào từ một số khu vực, chẳng hạn như tủy. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng số lượng đầy đủ các loại tế bào của não người khi được tổng hợp có thể sẽ giống nhau.

“Chúng tôi nghĩ rằng có lẽ không có quá nhiều loại tế bào trong não người so với não chuột”, ông nói. Hồng Quỳ Tăng, giám đốc Viện Khoa học Não Allen, người đứng đầu nỗ lực lập bản đồ tế bào não chuột. Các nhà nghiên cứu đã so sánh các tập dữ liệu bản đồ não của hai loài và dựa trên những gì cô nhìn thấy, Zeng đưa ra ước tính cá nhân của mình rằng “có thể có khoảng 5,000 đến 10,000” loại tế bào trong não người.

Công việc của não chuột không chỉ liệt kê các loại tế bào: Nó còn đặt các tế bào này vào bối cảnh vùng não của chúng như một tập bản đồ điều hướng. Từ thông tin vị trí bổ sung đó, các nhà nghiên cứu đã rút ra những kết luận mới hấp dẫn.

Họ phát hiện ra rằng, giống như trong não người, những vùng cổ xưa hơn của não chuột, chẳng hạn như vùng dưới đồi và hạch hạnh nhân, chứa hầu hết sự đa dạng tế bào của nó. Tuy nhiên, những loại tế bào khác nhau này có liên quan chặt chẽ với nhau và có tương đối ít điểm khác biệt. Ngược lại, các vùng não mới tiến hóa hơn, chẳng hạn như tiểu não và đồi thị, nhìn chung chứa ít loại tế bào hơn. Nhưng các loại tế bào của chúng rất khác biệt với nhau và mỗi vùng não chứa các loại tế bào riêng biệt cho nó.

Các tác giả đưa ra giả thuyết rằng do vùng dưới đồi cổ đại thực hiện các chức năng cơ bản quan trọng để hỗ trợ sự sống, như trao đổi chất, hô hấp và sinh sản, nên nó đã bị hạn chế về mặt tiến hóa. Nó phải tiến hóa lâu hơn, dẫn đến có nhiều loại tế bào hơn, nhưng các tế bào không thể trôi quá xa loại cơ bản của chúng. Zeng nói: “Các mạch điện được thiết lập tốt và mỗi khi bạn thực hiện một thay đổi, bạn có thể gây nguy hiểm cho tính mạng của động vật”.

Mặt khác, các vùng não mới hơn như vỏ não thực hiện các chức năng như nhận thức và cảm xúc giúp động vật thích nghi với môi trường và thử thách mới, cô nói. Những vùng não ít bị hạn chế hơn này đã có thể tiến hóa nhanh hơn và xa hơn, tạo ra các loại tế bào não đặc biệt cho các vùng.

Những phát hiện từ não chuột cho thấy trước những khám phá mà các nhà khoa học có thể thực hiện khi tập bản đồ não người được hoàn thành. Hiện tại, công việc của con người đang cung cấp “những thông tin cơ bản về quá trình tiến hóa của não mà trước đây chưa ai biết đến”. Thomas Naselaris, phó giáo sư tại Đại học Minnesota, người không tham gia vào bất kỳ nỗ lực tập bản đồ nào. “Không ai biết những sự thật mới này có ý nghĩa gì đối với sự tiến hóa nhận thức của con người. Nhưng chúng là những sự thật rất cơ bản mà không ai biết, nên có lẽ chúng sẽ trở nên quan trọng.”

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu có kế hoạch sử dụng chi tiết tế bào của những bản đồ não mới này làm hướng dẫn cải thiện việc điều trị các rối loạn thần kinh. Hodge nói: “Một trong những điều mà tôi nghĩ là quan trọng khi tạo ra những tập bản đồ này là nó cung cấp cơ sở hoặc tài liệu tham khảo để hiểu mọi thứ đang thay đổi như thế nào trong bối cảnh bệnh tật”.

Ví dụ, dù đã nghiên cứu hàng chục năm nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thực sự biết nguyên nhân gây ra bệnh Alzheimer. Có thể sự hiểu biết của chúng ta về chứng rối loạn này bị cản trở bởi một bản đồ đơn giản hóa quá mức về thành phần của não. Tính đặc hiệu của bản đồ tế bào có thể giúp nghiên cứu và điều trị thuốc chính xác và có tác động hơn.

Cầu nối tới toàn bộ cơ thể

Chỉ riêng những phát hiện bên trong bản đồ tế bào não thôi đã khiến người ta choáng váng. Nhưng sau đó hãy xem xét rằng các tập bản đồ tế bào khác cũng đang phát hiện ra các xu hướng tương tự. Từ cơ quan này đến cơ quan khác, các nhà nghiên cứu dường như đang tìm thấy sự đa dạng về loại tế bào hơn họ mong đợi. Những khám phá này cho thấy rằng hoạt động khỏe mạnh của các mô thường phụ thuộc vào việc có sự kết hợp phù hợp của các tế bào thực hiện những công việc hơi khác nhau. Do đó, mỗi tập bản đồ tế bào riêng lẻ cung cấp những khả năng mới gần như không thể tính toán được để hiểu một vùng của cơ thể và tất cả những điều có thể xảy ra với nó.

Một số nhà nghiên cứu có mục tiêu lớn hơn: Họ muốn ghép tất cả các bản đồ lại với nhau để tạo ra những gì Roser Vento-Tormo, trưởng nhóm di truyền tế bào tại Viện Wellcome Sanger, được so sánh với “Google Maps” của cơ thể con người.

Giống như một phiên bản sinh học của nỗ lực của Ortelius, Bản đồ tế bào người Dự án đang nỗ lực phác thảo một bản đồ như vậy bao gồm tất cả 36 nghìn tỷ tế bào trong cơ thể con người bằng cách liên kết các bản đồ tham khảo do các nhà khoa học trên thế giới đóng góp. Được thành lập vào năm 2016, dự án hiện có hơn 2,300 cộng tác viên và nhà tài trợ cấp cao như Viện Y tế Quốc gia và Liên minh Châu Âu, cùng nhiều nhóm khoa học và tư nhân khác.

Phiên bản đầu tiên của tập bản đồ tế bào con người rất gần với tiết lộ lớn của nó: Nó sẽ được thực hiện trong khoảng hai năm, Vento-Tormo nói. Nó khó có thể bao gồm hồ sơ của tất cả các loại tế bào của con người. Giống như tập bản đồ địa lý đầu tiên hoặc bộ gen người được xuất bản lần đầu tiên, tập bản đồ tế bào đầu tiên của con người sẽ chưa đầy đủ khi phát hành nhưng có kế hoạch sửa đổi nó nhiều lần. “Chúng tôi đang ở giai đoạn đầu,” Vento-Tormo nói.

Bản đồ tế bào trong tương lai có thể cũng sẽ thăm dò nhận dạng tế bào sâu hơn. Hầu hết các bản đồ tế bào chỉ nhìn vào RNA thông tin, “thậm chí không phải là loại RNA duy nhất trong tế bào,” Quake nói. Hơn nữa, một gen biểu hiện không nhất thiết có nghĩa là một loại protein cụ thể có mặt trong tế bào. Mục tiêu trong tương lai là thu thập dữ liệu về loại protein và các sản phẩm phân tử khác hiện diện trong các tế bào đơn lẻ, Rhea cho biết.

Ngay cả sau khi bản đồ tế bào người đầy đủ đầu tiên được hoàn thành, công việc vẫn chưa kết thúc. Mục đích trọng tâm của dự án Human Cell Atlas là thể hiện đầy đủ sự đa dạng của con người, điều này sẽ cần nhiều mẫu từ các quần thể trên khắp thế giới để lập bản đồ đầy đủ về sự đa dạng tế bào của chúng ta. Những mẫu đó sẽ cần phải xem xét nhiều khía cạnh đa dạng: giới tính, tuổi tác, tổ tiên, tình trạng bệnh tật, v.v.

Công việc khó khăn phía trước không thể dập tắt niềm vui của các nhà nghiên cứu đối với các tập bản đồ hiện tại. Angelo nói: “Sẽ rất thú vị để xem điều gì sẽ xảy ra trong hai hoặc ba năm tới”. Phiên bản đầu tiên của những tập bản đồ này đang tiết lộ chúng ta vẫn còn phải học bao nhiêu về sinh học cơ bản đồng thời đặt ra những câu hỏi hoàn toàn mới - những dấu hiệu rõ ràng về sự khởi đầu của một cuộc cách mạng khoa học mới.

Naselaris nói: “Chúng tôi chắc chắn sẽ học được rất nhiều điều từ những nỗ lực này. “Chúng tôi chỉ không biết mình sẽ học được gì vì chúng tôi thiếu những thông tin cơ bản cần thiết để hình thành hầu hết các câu hỏi quan trọng.” Giống như những tập bản đồ đầu tiên của các nhà địa lý, nơi mà sông, núi và đôi khi cả một quốc gia bị thiếu, những tập bản đồ này là những bản thảo đầu tiên về những gì sắp xảy ra.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả sinh học và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.