Trí Tuệ Nhân Tạo AlphaFold Giải Mã Bí Mật Khoảnh Khắc Kỳ Diệu Khi Tinh Trùng và Trứng Gặp Nhau
Vn-Z.vn Ngày 19 tháng 10 năm 2024, Điều gì xảy ra khi tinh trùng và trứng kết hợp lần đầu tiên? AI AlphaFold thực sự đã tiết lộ câu trả lời. Nó đã dự đoán thành công rằng phức hợp tương tác của ba protein tinh trùng sẽ trở thành chìa khóa của sự sống.
AlphaFold là chương trình trí tuệ nhân tạo được phát triển bởi DeepMind, công ty con của Alphabet, chuyên thực hiện các dự đoán về cấu trúc protein. Chương trình được thiết kế như một hệ thống học sâu.
Trong hành trình khám phá những điều chưa biết về sự sống, trí tuệ nhân tạo đạt giải Nobel — AlphaFold lại tiếp tục ghi dấu ấn! Lần này, nó đã hé lộ những chi tiết tinh tế về “cuộc gặp gỡ” của tinh trùng và trứng ở cấp độ phân tử.
Quá trình thụ tinh của trứng cá ngựa vằn (màu xanh) và tinh trùng (màu cam)
Sự kết hợp giữa tinh trùng và trứng đánh dấu sự khởi đầu của một sinh mệnh mới, nhưng những gì diễn ra giữa chúng vẫn là một bí ẩn khó giải quyết ở cấp độ phân tử.
Một nghiên cứu mới nhất trên tạp chí Cell đã chỉ ra rằng sự tương tác của ba loại protein từ tinh trùng chính là yếu tố then chốt trong quá trình kết hợp giữa tinh trùng và trứng. Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Nghiên cứu Sinh học Phân tử IMP, Đại học Y khoa Vienna cùng các tổ chức khác, đã phối hợp dựa vào khả năng dự đoán của AlphaFold để xác định ba loại protein này.
Chúng có thể được ví như “bà mối” giữa các tế bào sinh dục (hay giao tử).
Điều này có nghĩa là, nếu thiếu ba loại protein này, quá trình sinh sản hữu tính có thể gặp khó khăn trong một loạt các loài động vật từ cá ngựa vằn đến động vật có vú.
Trong nghiên cứu, các tác giả đã đưa ra một mô hình thú vị, rằng trong các loài động vật có xương sống, một “phức hợp tinh trùng bảo tồn” kết nối tinh trùng và trứng thông qua các yếu tố khác nhau của trứng.
Họ đã chọn “cá ngựa vằn” làm sinh vật mô hình, so sánh các yếu tố thụ tinh đã biết với 1.400 protein có trong tinh hoàn.
Qua quá trình sàng lọc và dự đoán bằng AlphaFold, nhóm nghiên cứu đã xác định được một hợp chất bao gồm Izumo1, Spaca6 và một yếu tố mới liên quan là Tmem81 (trước đây chưa được đặc trưng trong các nghiên cứu về thụ tinh).
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng ba yếu tố trên có sự tương tác lẫn nhau trong cá ngựa vằn, và các protein tương đồng ở người cũng thể hiện sự tương tác tương tự trong môi trường thí nghiệm.
Nhà sinh học sinh sản Enrica Bianchi thuộc Đại học Rome Tor Vergata cho biết: “Phát hiện này đã lật đổ quan niệm trước đây rằng chỉ cần một loại protein trên trứng và một loại protein trên tinh trùng là đủ để đảm bảo quá trình thụ tinh.”
Điều này không còn đơn giản như khái niệm “một chìa khóa với một ổ khóa” nữa. Tình huống phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta tưởng.
Khám Phá Bí Ẩn Về Sự Kết Hợp Giữa Tinh Trùng Và Trứng
Trước đây, các nhà khoa học đã phát hiện bốn loại protein trong tinh trùng của động vật có vú. Những protein này cũng tồn tại trong tinh trùng của loài cá và là yếu tố thiết yếu cho quá trình thụ tinh.
Hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của trứng chuột (màu đỏ và xanh lục) và tinh trùng (màu xanh lam) cho thấy quá trình kết hợp giữa tinh trùng và trứng. Những màu sắc này giúp làm nổi bật các thành phần khác nhau trong tế bào, hỗ trợ các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết các tương tác quan trọng trong quá trình thụ tinh.
Nhưng không ai biết liệu những protein này có ‘tập hợp’ vào bên trong trứng hay không, và làm thế nào để điều đó xảy ra.
Việc kết hợp giữa tinh trùng và trứng thường liên quan đến các protein có trong màng tế bào mỡ.
Tuy nhiên, những protein này khó nghiên cứu bằng các phương pháp tiêu chuẩn hóa, và tương tác giữa chúng thường là yếu và ngắn hạn.
Một mặt khác, việc lấy đủ mẫu trứng và tinh trùng từ những động vật thường được thử nghiệm trong các thí nghiệm, như chuột, để thực hiện các thử nghiệm quy mô lớn cũng rất khó khăn.
Trong các nghiên cứu sớm, các nhà sinh vật học sinh sản thường chọn các động vật không xương sống biển (như hải quản), vì chúng có khả năng giải phóng một lượng lớn trứng và tinh trùng vào trong nước.
Còn đối với động vật có xương sống, việc nghiên cứu quá trình thụ tinh của chúng vẫn là một chủ đề khó khăn.
Để giải quyết vấn đề thiếu mẫu, nhóm nghiên cứu tại Viện Bệnh lý phân tử Vienna đã bắt đầu chuyển sự chú ý của mình sang ‘cá ngựa vằn.
Đây là một loại ‘động vật có xương sống’ cũng giải phóng trứng và tinh trùng vào trong nước.
Ngoài ra, để giải quyết khó khăn trong việc xử lý protein màng (membrane proteins) trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã khéo léo sử dụng AlphaFold để dự đoán sự tương tác giữa các protein.
Gần đây, những người đứng đầu dự án AlphaFold, Demis Hassabis và John Jumper, đã giành được Giải Nobel Hóa học năm 2024.
Điều này càng chứng tỏ giá trị quan trọng của công cụ dự đoán protein AI trong nghiên cứu khoa học sự sống.
Ba trong một, chứ không phải là sự kết hợp giữa hai thành phần.
Với AlphaFold, nhóm nghiên cứu có thể so sánh bốn loại protein tinh trùng chung của động vật có vú và cá với khoảng 1.400 loại protein được tìm thấy trên bề mặt tế bào tinh hoàn của cá ngựa vằn, nhằm tìm kiếm những ứng viên tiềm năng có liên quan đến trứng.
Đối với AlphaFold, đây thực sự là một thách thức không nhỏ. Quá trình này kéo dài từ 2 đến 3 tuần, trong thời gian đó AlphaFold đã sử dụng toàn bộ tài nguyên tính toán của Viện Nghiên cứu Bệnh lý Phân tử ở Vienna.
Cuối cùng, AlphaFold đã dự đoán rằng ba loại protein kết hợp lại để tạo thành một phức hợp.
Trong đó, hai loại protein đã được biết đến (Izumo1, Spaca6) và rất quan trọng đối với khả năng sinh sản.
Thí nghiệm đã xác nhận rằng nếu thiếu protein Tmem81 thứ ba, cá ngựa vằn đực sẽ vô sinh.
Tương tự, protein này cũng đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sinh sản của chuột.
Hơn nữa, ba protein tinh trùng này có tương tác với nhau, như thể hiện trong hình bên dưới.
Thêm vào đó, nhóm nghiên cứu còn phát hiện rằng, trong cá ngựa vằn, ba loại protein đã tạo thành một vị trí kết hợp cụ thể, cho phép protein trứng liên kết với chúng, từ đó cung cấp một cơ chế phân tử cho sự nhận diện lẫn nhau của hai tế bào sinh sản.
Hơn nữa, ba loại protein tinh trùng này cũng hoạt động như một đơn vị trong quá trình thụ thai ở con người.
So sánh ba loại protein tinh trùng của cá ngựa vằn, chuột và người
Một trong những tác giả của bài nghiên cứu, Andreas Blaha, cho biết, đây giống như một cuộc đối thoại giữa các phân tử, như thể đang nói ‘Này, tinh trùng, bạn đã tìm thấy một trứng’ và ‘Này, trứng, bạn đã tìm thấy một tinh trùng"
Nhưng phức hợp tinh trùng bảo tồn này có vai trò gì trong quá trình thụ tinh?
Dự đoán của AlphaFold là, ba loại protein (trimer) ở cá ngựa vằn tương tác với yếu tố trứng Bouncer.
Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận độ tin cậy của dự đoán AI và phát hiện rằng ‘sự hình thành phức hợp là cần thiết cho việc Bouncer kết hợp’
Các phân tử trứng hoàn toàn mới cũng có thể kết hợp với ba loại protein này.
Trong các nghiên cứu sớm, một loại phân tử trứng đã được phát hiện trong động vật có vú, có khả năng liên kết với một trong ba loại protein trên.
Tuy nhiên, điều kỳ lạ là, phân tử trứng ở động vật có vú không phải là Bouncer, mà là một loại protein không liên quan có tên là JUNO.
Do đó, trong động vật có vú, IZUMO1 tương tác với JUNO, và JUNO về mặt tiến hóa và cấu trúc không liên quan đến Bouncer.
Điều này có nghĩa là, ở một thời điểm và địa điểm nào đó trong lịch sử, động vật đã tiến hóa ra những loại protein trứng khác nhau để liên kết với protein tinh trùng.
Về điều này, các nhà nghiên cứu cảm thấy kỳ lạ, khi mà ổ khóa (trứng) đã thay đổi, thì tại sao chìa khóa (tinh trùng) vẫn giữ nguyên.
Đây có thể là một trong những hướng khám phá tiếp theo của họ.
Khám phá cơ chế sự sống, AlphaFold lại một lần nữa phát huy tác dụng lớn.
Wright từ Đại học York chỉ ra rằng, những phát hiện này có thể mở ra hướng mới cho việc sàng lọc bệnh nhân vô sinh trong tương lai.
Thông qua việc kiểm tra chức năng của phức hợp protein này, các bác sĩ có thể xác định xem một số vấn đề vô sinh có phải xuất phát từ sự bất thường của cơ chế này hay không.
Ông cũng bổ sung rằng, nghiên cứu mới này lại một lần nữa chứng minh vai trò quan trọng của AlphaFold trong việc nghiên cứu quá trình thụ tinh.
Trong các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu sẽ gặp phải nhiều hạn chế.
Sự tồn tại của AlphaFold đã cho phép các nghiên cứu dựa trên dự đoán cấu trúc protein và mô hình tương tác dựa trên AI có khả năng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nghiên cứu sinh học trong tương lai.
Điều này không chỉ là đóng góp cho sinh học sinh sản mà còn là một ví dụ xuất sắc về cách AI thúc đẩy nghiên cứu khoa học sự sống!
Bạn đọc có thể tham khảo thêm thông tin bài nghiên cứu tại đây
Quá trình thụ tinh của trứng cá ngựa vằn (màu xanh) và tinh trùng (màu cam)
Sự kết hợp giữa tinh trùng và trứng đánh dấu sự khởi đầu của một sinh mệnh mới, nhưng những gì diễn ra giữa chúng vẫn là một bí ẩn khó giải quyết ở cấp độ phân tử.
Một nghiên cứu mới nhất trên tạp chí Cell đã chỉ ra rằng sự tương tác của ba loại protein từ tinh trùng chính là yếu tố then chốt trong quá trình kết hợp giữa tinh trùng và trứng. Nhóm nghiên cứu đến từ Viện Nghiên cứu Sinh học Phân tử IMP, Đại học Y khoa Vienna cùng các tổ chức khác, đã phối hợp dựa vào khả năng dự đoán của AlphaFold để xác định ba loại protein này.
Chúng có thể được ví như “bà mối” giữa các tế bào sinh dục (hay giao tử).
Điều này có nghĩa là, nếu thiếu ba loại protein này, quá trình sinh sản hữu tính có thể gặp khó khăn trong một loạt các loài động vật từ cá ngựa vằn đến động vật có vú.
Trong nghiên cứu, các tác giả đã đưa ra một mô hình thú vị, rằng trong các loài động vật có xương sống, một “phức hợp tinh trùng bảo tồn” kết nối tinh trùng và trứng thông qua các yếu tố khác nhau của trứng.
Họ đã chọn “cá ngựa vằn” làm sinh vật mô hình, so sánh các yếu tố thụ tinh đã biết với 1.400 protein có trong tinh hoàn.
Qua quá trình sàng lọc và dự đoán bằng AlphaFold, nhóm nghiên cứu đã xác định được một hợp chất bao gồm Izumo1, Spaca6 và một yếu tố mới liên quan là Tmem81 (trước đây chưa được đặc trưng trong các nghiên cứu về thụ tinh).
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng ba yếu tố trên có sự tương tác lẫn nhau trong cá ngựa vằn, và các protein tương đồng ở người cũng thể hiện sự tương tác tương tự trong môi trường thí nghiệm.
Nhà sinh học sinh sản Enrica Bianchi thuộc Đại học Rome Tor Vergata cho biết: “Phát hiện này đã lật đổ quan niệm trước đây rằng chỉ cần một loại protein trên trứng và một loại protein trên tinh trùng là đủ để đảm bảo quá trình thụ tinh.”
Điều này không còn đơn giản như khái niệm “một chìa khóa với một ổ khóa” nữa. Tình huống phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta tưởng.
Khám Phá Bí Ẩn Về Sự Kết Hợp Giữa Tinh Trùng Và Trứng
Trước đây, các nhà khoa học đã phát hiện bốn loại protein trong tinh trùng của động vật có vú. Những protein này cũng tồn tại trong tinh trùng của loài cá và là yếu tố thiết yếu cho quá trình thụ tinh.
Hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang của trứng chuột (màu đỏ và xanh lục) và tinh trùng (màu xanh lam) cho thấy quá trình kết hợp giữa tinh trùng và trứng. Những màu sắc này giúp làm nổi bật các thành phần khác nhau trong tế bào, hỗ trợ các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết các tương tác quan trọng trong quá trình thụ tinh.
Việc kết hợp giữa tinh trùng và trứng thường liên quan đến các protein có trong màng tế bào mỡ.
Tuy nhiên, những protein này khó nghiên cứu bằng các phương pháp tiêu chuẩn hóa, và tương tác giữa chúng thường là yếu và ngắn hạn.
Một mặt khác, việc lấy đủ mẫu trứng và tinh trùng từ những động vật thường được thử nghiệm trong các thí nghiệm, như chuột, để thực hiện các thử nghiệm quy mô lớn cũng rất khó khăn.
Trong các nghiên cứu sớm, các nhà sinh vật học sinh sản thường chọn các động vật không xương sống biển (như hải quản), vì chúng có khả năng giải phóng một lượng lớn trứng và tinh trùng vào trong nước.
Còn đối với động vật có xương sống, việc nghiên cứu quá trình thụ tinh của chúng vẫn là một chủ đề khó khăn.
Để giải quyết vấn đề thiếu mẫu, nhóm nghiên cứu tại Viện Bệnh lý phân tử Vienna đã bắt đầu chuyển sự chú ý của mình sang ‘cá ngựa vằn.
Đây là một loại ‘động vật có xương sống’ cũng giải phóng trứng và tinh trùng vào trong nước.
Ngoài ra, để giải quyết khó khăn trong việc xử lý protein màng (membrane proteins) trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã khéo léo sử dụng AlphaFold để dự đoán sự tương tác giữa các protein.
Gần đây, những người đứng đầu dự án AlphaFold, Demis Hassabis và John Jumper, đã giành được Giải Nobel Hóa học năm 2024.
Điều này càng chứng tỏ giá trị quan trọng của công cụ dự đoán protein AI trong nghiên cứu khoa học sự sống.
Ba trong một, chứ không phải là sự kết hợp giữa hai thành phần.
Với AlphaFold, nhóm nghiên cứu có thể so sánh bốn loại protein tinh trùng chung của động vật có vú và cá với khoảng 1.400 loại protein được tìm thấy trên bề mặt tế bào tinh hoàn của cá ngựa vằn, nhằm tìm kiếm những ứng viên tiềm năng có liên quan đến trứng.
Cuối cùng, AlphaFold đã dự đoán rằng ba loại protein kết hợp lại để tạo thành một phức hợp.
Trong đó, hai loại protein đã được biết đến (Izumo1, Spaca6) và rất quan trọng đối với khả năng sinh sản.
Thí nghiệm đã xác nhận rằng nếu thiếu protein Tmem81 thứ ba, cá ngựa vằn đực sẽ vô sinh.
Tương tự, protein này cũng đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sinh sản của chuột.
Hơn nữa, ba protein tinh trùng này có tương tác với nhau, như thể hiện trong hình bên dưới.
Hơn nữa, ba loại protein tinh trùng này cũng hoạt động như một đơn vị trong quá trình thụ thai ở con người.
So sánh ba loại protein tinh trùng của cá ngựa vằn, chuột và người
Một trong những tác giả của bài nghiên cứu, Andreas Blaha, cho biết, đây giống như một cuộc đối thoại giữa các phân tử, như thể đang nói ‘Này, tinh trùng, bạn đã tìm thấy một trứng’ và ‘Này, trứng, bạn đã tìm thấy một tinh trùng"
Dự đoán của AlphaFold là, ba loại protein (trimer) ở cá ngựa vằn tương tác với yếu tố trứng Bouncer.
Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận độ tin cậy của dự đoán AI và phát hiện rằng ‘sự hình thành phức hợp là cần thiết cho việc Bouncer kết hợp’
Trong các nghiên cứu sớm, một loại phân tử trứng đã được phát hiện trong động vật có vú, có khả năng liên kết với một trong ba loại protein trên.
Tuy nhiên, điều kỳ lạ là, phân tử trứng ở động vật có vú không phải là Bouncer, mà là một loại protein không liên quan có tên là JUNO.
Do đó, trong động vật có vú, IZUMO1 tương tác với JUNO, và JUNO về mặt tiến hóa và cấu trúc không liên quan đến Bouncer.
Điều này có nghĩa là, ở một thời điểm và địa điểm nào đó trong lịch sử, động vật đã tiến hóa ra những loại protein trứng khác nhau để liên kết với protein tinh trùng.
Về điều này, các nhà nghiên cứu cảm thấy kỳ lạ, khi mà ổ khóa (trứng) đã thay đổi, thì tại sao chìa khóa (tinh trùng) vẫn giữ nguyên.
Đây có thể là một trong những hướng khám phá tiếp theo của họ.
Khám phá cơ chế sự sống, AlphaFold lại một lần nữa phát huy tác dụng lớn.
Wright từ Đại học York chỉ ra rằng, những phát hiện này có thể mở ra hướng mới cho việc sàng lọc bệnh nhân vô sinh trong tương lai.
Thông qua việc kiểm tra chức năng của phức hợp protein này, các bác sĩ có thể xác định xem một số vấn đề vô sinh có phải xuất phát từ sự bất thường của cơ chế này hay không.
Ông cũng bổ sung rằng, nghiên cứu mới này lại một lần nữa chứng minh vai trò quan trọng của AlphaFold trong việc nghiên cứu quá trình thụ tinh.
Trong các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu sẽ gặp phải nhiều hạn chế.
Sự tồn tại của AlphaFold đã cho phép các nghiên cứu dựa trên dự đoán cấu trúc protein và mô hình tương tác dựa trên AI có khả năng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nghiên cứu sinh học trong tương lai.
Điều này không chỉ là đóng góp cho sinh học sinh sản mà còn là một ví dụ xuất sắc về cách AI thúc đẩy nghiên cứu khoa học sự sống!
Bạn đọc có thể tham khảo thêm thông tin bài nghiên cứu tại đây
BÀI MỚI ĐANG THẢO LUẬN