TẾ BÀO PHÂN CHIA GIỮ CHO NHỮNG XOÁY CUỘN HOÀN HẢO

Các tế bào trong một lớp mô — một biểu mô — hiếm khi đứng yên. Chúng cùng nhau bò thành những dòng phun và xoáy nước. Những dòng chảy tập thể này có vai trò quan trọng trong việc làm lành vết thương, trong sự định hình của mô và cơ quan, và trong sự lan rộng của ung thư.

Một hình mẫu đáng ngạc nhiên ẩn giấu trong các dòng chảy này. Hãy vẽ những đường phân tách các vùng xoay thuận chiều kim đồng hồ với các vùng xoay ngược chiều. Trong một công trình trước đó, công bố trên Nature Physics năm 2025, các nhà vật lý phát hiện rằng ở các lớp tế bào và các khuẩn lạc vi khuẩn, những đường này tuân theo tính bất biến bảo giác: các đặc trưng thống kê của chúng không đổi khi bạn dịch chuyển, xoay, phóng to hay thu nhỏ chúng. Chúng thậm chí còn khớp với một lớp hình dạng toán học chính xác đã biết trong vật lý, lớp của sự thấm tới hạn (critical percolation).

Điều đó thật lạ đối với vật chất sống, vốn liên tục tiêu hao năng lượng và ở rất xa trạng thái cân bằng. Tianxiang Ma, Amin Doostmohammadi và các cộng sự tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, cùng một đồng tác giả ở Lisbon, đã đặt câu hỏi điều gì giữ cho hình học này ổn định — và điều gì phá vỡ nó.

Một con số duy nhất cho một hình dạng

Để kiểm tra hình học, nhóm đã sử dụng một công cụ gọi là tiến hóa Schramm–Loewner (SLE). Nó chuyển mỗi đường ngoằn ngoèo thành một quá trình ngẫu nhiên được mô tả bằng một con số duy nhất, κ (kappa). Với sự thấm tới hạn, κ = 6. Hai phép kiểm tra độc lập — xác suất một đường đi qua bên trái một điểm cho trước, và tốc độ lan rộng của một đại lượng liên quan — cho ra một ước tính κ cho mỗi thí nghiệm.

Họ quay phim các lớp tế bào MDCK phủ kín bề mặt, một dòng tế bào thận chó tiêu chuẩn, và đo chuyển động của chúng dưới kính hiển vi.

Dừng phân chia, mất hình học

Ở các lớp không được xử lý, ranh giới của các xoáy khớp với lý thuyết gần như hoàn hảo: κ = 6,002 ± 0,155.

Sau đó, nhóm chặn sự phân chia tế bào bằng mitomycin C, một loại thuốc ngăn quá trình sao chép DNA. Các tế bào vẫn chuyển động; các dòng phun và xoáy nước vẫn tồn tại, với cùng các đặc trưng thống kê tổng thể. Nhưng hình học ẩn giấu đã thay đổi: κ tăng lên 8,18 ± 0,29, khác biệt đáng kể so với 6. Các đường cũng mất tính bất biến theo tỉ lệ, trở thành “đa phân dạng” (multifractal) — độ gồ ghề của chúng giờ đây phụ thuộc vào cách chúng được đo.

Một loại thuốc thứ hai ngăn phân chia bằng một cơ chế khác, nocodazole, vốn phá hủy bộ khung bên trong tế bào cần thiết để tách đôi, cũng tạo ra cùng sự đổ vỡ đó.

Để đối chứng, họ thay vào đó chặn sự chết của tế bào, bằng một chất ức chế tên là Q-VD-OPh, trong khi sự phân chia vẫn diễn ra bình thường. Mọi dấu hiệu của hình học phổ quát đều được giữ nguyên. Điều quan trọng là sự phân chia, chứ không phải sự đổi mới tế bào nói chung.

Một mô vẫn có thể xáo trộn

Tại sao? Với mitomycin, các dòng chảy trở nên hơi lệch, và chỉ riêng điều đó đã phá vỡ đối xứng xoay. Nhưng nocodazole không gây ra điều này, nên các tác giả tìm kiếm một lời giải thích tổng quát hơn và tìm thấy nó ở sự trao đổi hàng xóm: với cả hai loại thuốc, các tế bào đổi chỗ với hàng xóm ít thường xuyên hơn nhiều, và mô hồi phục chậm hơn. Nó vẫn chuyển động, nhưng mạng lưới tiếp xúc giữa các tế bào đã trở nên bị ràng buộc quá mức.

Một mô hình máy tính của mô, trong đó các tế bào là những đa giác và tỉ lệ tế bào phân chia có thể điều chỉnh từ 0 đến 100%, đã tái hiện toàn bộ câu chuyện:

• khi tất cả tế bào phân chia, ranh giới các xoáy khớp với κ = 6;
• khi dưới khoảng 50% tế bào phân chia, hình học bị phá vỡ;
• càng nhiều phân chia, mô mô phỏng càng mềm hơn, với độ cứng thấp hơn và chi phí năng lượng thấp hơn để các tế bào đổi chỗ;
• loại bỏ tế bào mà không có phân chia không khôi phục được hình mẫu.

Sự đổi mới như một vai trò vật lý

Các tác giả kết luận rằng các lần phân chia đóng vai trò như những “đổi mới tô pô” gián đoạn, giữ cho mạng lưới tế bào đủ linh hoạt để sắp xếp lại ở mọi thang bậc. Ngoài vai trò trong tăng trưởng, phân chia tế bào như vậy còn là một yếu tố điều hòa cấu trúc và cơ học đối với cách các mô tự tổ chức.

Họ nói thêm rằng các loại thuốc ngăn tăng sinh tế bào, được dùng để chống ung thư và trong y học tim mạch, có thể có những tác động bất ngờ lên cách các mô chuyển động — một gợi ý mà nghiên cứu này, được thực hiện trên tế bào chó nuôi cấy và các mô phỏng, không kiểm chứng trực tiếp. Theo tài liệu tham chiếu mà các tác giả đưa ra trên arXiv, công trình đã được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences.