Các nhà khoa học khám phá ra điều đáng kinh ngạc ở vi khuẩn phóng to 1000 lần

Bằng cách kết hợp kỹ thuật chụp ảnh MERFISH với kính hiển vi mở rộng, các nhà khoa học đã mở ra một phương pháp mới để nghiên cứu vi khuẩn ở cấp độ tế bào đơn. Thành tựu mới này cho phép thực hiện những quan sát chuyên sâu hơn về cách vi khuẩn kích hoạt các loại gen khác nhau để phản ứng với môi trường, từ đó mang đến những hiểu biết sâu sắc về hành vi của vi khuẩn, khả năng kháng kháng sinh và chiến lược lây nhiễm.

Cách vi Khuẩn tổ chức hoạt động

Làm thế nào mà vi khuẩn – dù là những vi khuẩn có lợi trong cơ thể chúng ta hay các chủng gây bệnh nguy hiểm – điều phối các hoạt động của chúng? Một nghiên cứu gần đây đã cung cấp những hiểu biết mới bằng cách kết hợp kính hiển vi cấp độ gen tiên tiến với một kỹ thuật đột phá để theo dõi các gen mà vi khuẩn kích hoạt trong các điều kiện và môi trường khác nhau. Được công bố gần đây trên tạp chí Science, bước đột phá này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy nghiên cứu vi khuẩn lên một tầm cao mới.

Tiến sĩ Jeffrey Moffitt và các cộng sự thuộc Chương trình Y học Phân tử và Tế bào (PCMM) tại Bệnh viện Nhi Boston (Hoa Kỳ) đã sử dụng MERFISH, một kỹ thuật chụp ảnh phân tử mà Moffitt đã góp phần phát triển, để phân tích các RNA thông tin (mRNA) trong hàng ngàn mẫu vi khuẩn riêng lẻ cùng một lúc. Phương pháp này không chỉ lập bản đồ biểu hiện gen trên quy mô lớn mà còn tiết lộ cách các yếu tố không gian ảnh hưởng đến việc kích hoạt gen của vi khuẩn – điều chưa từng được thực hiện trước đây.

Thách thức trong chụp ảnh vi khuẩn

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu trước tiên phải vượt qua một thách thức lớn: các RNA của vi khuẩn, hay còn gọi là bộ phiên mã vi khuẩn, được “đóng gói” dày đặc bên trong các tế bào nhỏ bé, khiến chúng khó phân biệt và chụp ảnh.

Bằng cách mượn một kỹ thuật được phát triển trong phòng thí nghiệm có tên “kính hiển vi mở rộng”, nhóm nghiên cứu đã nhúng các mẫu vật vào một loại hydrogel đặc biệt. Họ cố định các RNA vào gel và thay đổi dung dịch đệm hóa học trong đó. Điều này khiến gel nở ra, làm tăng kích thước mẫu lên 50 đến 1000 lần. Lúc này, tất cả các RNA vi khuẩn trở nên có thể phân giải riêng lẻ.

Biểu hiện gen của vi khuẩn có ý nghiện gì?

Cho đến nay, các nhà khoa học thường đo lường hành vi vi khuẩn bằng cách lấy trung bình trên toàn bộ quần thể vi khuẩn. Khả năng xác định các gen mà từng vi khuẩn riêng lẻ sử dụng có thể mang lại những hiểu biết mới mạnh mẽ về tương tác vi khuẩn, độc lực, phản ứng với stress, khả năng kháng kháng sinh, khả năng hình thành màng sinh học (biofilm) như trong ống thông và hơn thế nữa.

“Giờ đây chúng ta đã nắm trong tay công cụ để trả lời những câu hỏi thú vị về tương tác giữa vật chủ-vi khuẩn và vi khuẩn-vi khuẩn,” Moffitt nói. “Chúng ta có thể khám phá cách vi khuẩn giao tiếp và cạnh tranh để chiếm các vị trí không gian, đồng thời xác định cấu trúc của các cộng đồng vi khuẩn. Và chúng ta có thể hỏi làm thế nào vi khuẩn gây bệnh điều chỉnh biểu hiện gen của chúng khi chúng lây nhiễm vào tế bào động vật có vú”.

Bacterial-MERFISH cũng có thể cung cấp thông tin về các vi khuẩn khó nuôi cấy trong đĩa petri. Giờ đây các nhà khoa học sẽ không cần nuôi cấy chúng, mà thay vào đó chỉ cần chụp ảnh chúng trong môi trường tự nhiên.

Hiểu biết ở cấp độ tế bào đơn về chiến lược sinh tồn của vi khuẩn

Một số thí nghiệm mà nhóm thực hiện đã minh họa các loại câu hỏi mà Bacterial-MERFISH có thể trả lời. Ví dụ, Moffitt và các đồng nghiệp đã có thể chứng minh rằng từng tế bào E. coli, khi bị thiếu glucose, sẽ cố gắng sử dụng các nguồn thức ăn thay thế một cách tuần tự, thay đổi biểu hiện gen của chúng theo một trình tự cụ thể. Bằng cách chụp một loạt ảnh gen theo thời gian, nhóm nghiên cứu đã có thể ghép lại chiến lược sinh tồn này.

Nhóm nghiên cứu cũng thu được thông tin về cách vi khuẩn tổ chức các RNA của chúng trong tế bào, điều này có thể quan trọng trong việc điều chỉnh các khía cạnh khác nhau của biểu hiện gen. Trước đây, rất khó để giải quyết sự biến đổi như vậy, nhưng hiện tại, công việc này đã trở nên dễ dàng hơn nhiều.