Hình dạng scutoid của các tế bào biểu mô
Da là cơ quan lớn nhất trên cơ thể người với diện tích bao phủ khoảng 2m2. Tuy nhiên, da không có hình dạng như chúng ta suy nghĩ trước đây. Trên thực tế, các nhà khoa học vừa phát hiện một dạng hình học hoàn toàn mới chưa được biết đến trong khoa học và toán học. Có vẻ như nó đang ẩn giấu trong da của bạn bấy lâu nay, cụ thể hơn là trong tế bào biểu mô – đơn vị cấu tạo của mô cấu trúc, hình thành nên các lớp da bên ngoài và bên trong của con người.
Tế bào biểu mô là một trong những tế bào quan trọng nhất trong giai đoạn đầu đời, góp phần xây dựng nên cấu trúc mô. Khi phôi thai phát triển, các mô bị uốn cong thành những hình dạng ba chiều phức tạp để tạo ra hầu hết cơ quan trong cơ thể. Tế bào biểu mô là những “khối xây dựng” của quá trình hình thành này. Hàng triệu tế bào biểu mô nhỏ xíu xếp sát vào nhau không chỉ tham gia cấu tạo nên da của chúng ta, mà còn đóng vai trò là lớp lót cho mạch máu và các cơ quan nội tạng.
Giới khoa học chưa bao giờ biết rõ hình dạng của những tế bào biểu mô riêng lẻ. Chúng được giả định rằng có hình dạng lăng trụ đứng [giống cây cột] hoặc hình chóp cụt [giống cái chai]. Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 27/7, các nhà khoa học sử dụng mô hình máy tính và biểu đồ Voronoi để mô phỏng sự sắp xếp 3D của các tế bào biểu mô. Kết quả đã khiến họ thực sự ngạc nhiên.
“Trong quá trình mô hình hóa, kết quả chúng tôi thu được khá kỳ lạ. Mô hình của chúng tôi dự đoán rằng, khi độ cong của mô tăng lên, hình dạng cột và hình dạng chai không phải là hình dạng duy nhất mà các tế bào có thể phát triển”, Javier Buceta, thành viên của nhóm nghiên cứu tại Đại học Lehigh (Mỹ), cho biết.
Hình dạng scutoid của các tế bào biểu mô trong da. Nguồn: Nature
Nhóm nghiên cứu phát hiện một dạng hình học kỳ lạ mà họ chưa từng biết đến. Nó trông giống hình lăng trụ đứng, nhưng trong khi một đáy lăng trụ có 5 cạnh thì đáy còn lại có 6 cạnh. Điều này là do trong các đường nối hai đỉnh của các cạnh đáy, có một đường tách ra thành hình chữ Y, tạo ra một tam giác nhỏ trên thân của khối hình học và đồng thời tạo thêm một đỉnh nữa ở một đáy.
Theo nhóm nghiên cứu, hình dạng mới chưa bao giờ được mô tả trước đây trong các tài liệu khoa học. “Trước sự bất ngờ của chúng tôi, hình khối này thậm chí chưa có tên trong lĩnh vực toán học”, Buceta nói. “Không phải ai cũng có cơ hội hiếm có được đặt tên cho một khái niệm hình học mới.”
Cuối cùng, các nhà khoa học gọi khám phá mới của họ là “scutoid”, dựa theo tên bộ phận phiến mai (scutellum) nằm phía sau ngực của một số côn trùng - bộ phận trông giống một hình tam giác nhỏ.
Hình dạng scutoid giúp tế bào tiết kiệm năng lượng
Để giải thích lý do tại sao hình dạng scutoid tồn tại ở bên trong da, nhóm nghiên cứu cho biết đây là hình dạng sử dụng năng lượng hiệu quả hơn khi tế bào biểu mô bị uốn cong.
“Khi các tế bào biểu mô bị uốn cong, nó có xu hướng giảm năng lượng đến mức tối thiểu để trở nên ổn định hơn. Hình dạng scutoid giúp chúng thực hiện điều này”, Luisma Escudero tại Đại học Seville ở Tây Ban Nha, cho biết.
Với hình dạng scutoid, tổng chiều dài đường biên tiếp xúc giữa các tế bào là nhỏ nhất và khả năng sắp xếp của chúng trong không gian hiệu quả nhất. Việc xây dựng và duy trì đường ranh giới giữa các tế bào tiêu tốn năng lượng. “Chiều dài tiếp xúc giữa các tế bào càng lớn thì càng mất nhiều năng lượng. Mỗi tế bào muốn sử dụng càng ít năng lượng càng tốt, do đó tại các vị trí bị uốn cong chúng thường có hình dạng scutoid”, Buceta nói.
Nhóm nghiên cứu kiểm tra hình dạng ba chiều của các mô khác nhau ở một số loài động vật. Dữ liệu thực nghiệm xác nhận rằng, hình dạng scutoid xuất hiện trong tế bào biểu mô của ruồi giấm và cá ngựa vằn, tương tự những gì được dự đoán bởi mô hình máy tính.
“Các tế bào biểu mô có hình dạng scutoid giống như những mảnh ghép Lego mà từ đó hình thành nên cơ thể sinh vật”, Luisma Escudero, đồng tác giả nghiên cứu tại Đại học Seville (Tây Ban Nha), nhận định.
Các tế bào biểu mô tự tổ chức một cách chính xác, giúp cho các bộ phận trong cơ thể có được hình dạng cuối cùng trong quá trình phát triển phôi thai. Cấu trúc đặc biệt của biểu mô giúp nó thực hiện nhiều chức năng như tạo thành một hàng rào chống nhiễm trùng hoặc hấp thụ các chất dinh dưỡng, Escudero cho biết.
Theo Escudero, bước nghiên cứu tiếp theo của họ là xác định các phân tử cụ thể khiến tế bào biểu mô có hình dạng scutoid.
Khả năng ứng dụng trong tương lai
Mặc dù cần nhiều nghiên cứu hơn để xác nhận sự phổ biến của hình dạng scutoid bên trong cơ thể sinh vật, bao gồm con người, các nhà nghiên cứu cho rằng phát hiện của họ sẽ mở đường cho một sự hiểu biết mới về cấu tạo ba chiều của biểu mô và dẫn đến những tiến bộ trong kỹ thuật mô.
“Chúng tôi đã mở khóa được cách thức tự nhiên tạo ra những tế bào biểu mô có thể bị bẻ cong, vặn xoắn một cách hiệu quả”, Buceta nói.
Khả năng chế tạo mô và các cơ quan nhân tạo trong tương lai phụ thuộc và khả năng hiểu, sau đó đến kiểm soát cấu trúc 3D của tế bào. Ví dụ, kết quả nghiên cứu sẽ giúp bạn tạo ra những tế bào giống thật hơn, đúng như cách tự nhiên đã tạo nên các tế bào và mô, Buceta nhận định.