Credit: CC0 Public Domain

Cảm giác thính giác, theo nghĩa đen, là một hành động chặt chẽ phân tử. Hóa ra, nó cũng liên quan đến nhào lộn.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Communications vào ngày 8 tháng 2, các nhà nghiên cứu tại Trường Y Harvard và Bệnh viện Nhi Boston đã chỉ ra rằng mối liên hệ năng động và tinh tế giữa hai cặp sợi protein nhỏ bé đóng vai trò trung tâm trong thính giác.

Lực căng được giữ bởi các sợi này, gọi chung là liên kết đầu mút, là yếu tố cần thiết cho việc kích hoạt các tế bào cảm giác ở tai trong. Các phân tích của nhóm cho thấy rằng các sợi dây, được nối với nhau từ đầu đến cuối, hoạt động cùng nhau giống như các nghệ sĩ đang nắm tay nhau. Ví dụ, sự nắm bắt của chúng vào nhau có thể bị gián đoạn, bởi một tiếng ồn lớn. Nhưng với kiểu cầm bằng hai tay, chúng có thể nhanh chóng kết nối lại khi một tay bị trượt.

Phát hiện cho thấy sự hiểu biết mới về nền tảng phân tử của thính giác, cũng như cảm giác cân bằng, nảy sinh từ các quá trình tương tự ở tai trong. Các rối loạn về điếc và thăng bằng có liên quan đến đột biến trong các liên kết đầu mút, và kết quả nghiên cứu có thể dẫn đến các chiến lược điều trị mới cho các chứng rối loạn này, theo các tác giả.

“Bộ máy nhỏ bé này, được làm từ chưa đến một tá protein, là thứ giúp thay đổi âm thanh từ một kích thích cơ học thành tín hiệu điện mà não có thể giải mã”, đồng tác giả David Corey, Giáo sư Bertarelli của Khoa học Y khoa Dịch thuật tại HMS, cho biết. . “Hiểu được cách thức hoạt động của các protein này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về bí mật của cảm giác âm thanh.”

Theo các nhà nghiên cứu, kết nối động giữa các sợi cũng có thể hoạt động như một bộ ngắt mạch bảo vệ các thành phần tế bào khác.

“Tôi nghĩ rằng nghiên cứu của chúng tôi mang lại cho chúng tôi cảm giác kinh ngạc về cách hệ thống này được thiết kế hoàn hảo trong tai”, đồng tác giả Wesley Wong, phó giáo sư hóa sinh học và dược học phân tử của HMS cho biết. “Nó duy trì sự cân bằng mong manh giữa việc vừa đủ mạnh để thực hiện chức năng của nó nhưng đủ yếu để phá vỡ để có khả năng duy trì chức năng của các yếu tố khác không thể dễ dàng cải tạo được.”

Giải mã cái bắt tay

Để thính giác xảy ra, các tế bào phải phát hiện và chuyển các sóng áp suất trong không khí thành các tín hiệu điện sinh học. Nhiệm vụ này thuộc về các tế bào lông, các tế bào cảm giác của tai trong. Nhô ra từ các tế bào này là các bó cấu trúc giống như sợi tóc, chúng uốn cong qua lại khi sóng áp suất di chuyển qua tai trong.

Các sợi liên kết đầu kết nối vật lý từng sợi tóc với nhau và được neo vào các kênh ion chuyên biệt. Khi bó di chuyển, sức căng của các liên kết đầu nhọn thay đổi, mở và đóng các kênh giống như một cánh cổng để cho phép dòng điện đi vào tế bào. Bằng cách này, các liên kết đầu mút bắt đầu các tín hiệu điện sinh học mà não bộ cuối cùng xử lý dưới dạng âm thanh.

Trong các nghiên cứu trước đây, Corey và các đồng nghiệp đã khám phá thành phần của các liên kết đầu mút và xác định cấu trúc nguyên tử chính xác của liên kết giữa hai sợi protein. Theo các tác giả, thật thú vị, mối liên kết này gợi lên một sự bắt tay phân tử.

Trong nghiên cứu hiện tại, Corey, Wong và nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu bản chất của cái bắt tay này. Để làm như vậy, họ đã áp dụng quang phổ lực đơn phân tử, một kỹ thuật thường sử dụng nhíp quang học – chùm tia laser hội tụ cao có thể giữ các vật thể cực nhỏ và di chuyển chúng trong khoảng cách ngắn như một phần tỷ mét.

Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi các tác giả đầu tiên của nghiên cứu Eric Mulhall và Andrew Ward, cả hai đều là nghiên cứu sinh về sinh học thần kinh tại Viện Blavatnik tại HMS, đã phủ các hạt thủy tinh cực nhỏ bằng các sợi protocadherin-15 hoặc cadherin-23, hai loại protein tạo nên chóp liên kết. Sử dụng nhíp quang học, họ di chuyển các hạt lại gần nhau cho đến khi các sợi protein dính vào nhau kết thúc và sau đó đo các lực cần thiết để kéo các liên kết ra xa nhau.

Mạnh hơn tổng

Mỗi liên kết đầu được tạo thành từ hai sợi của cả hai loại protein. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng độ bền của liên kết sợi đôi này vượt xa độ bền của liên kết giữa các sợi riêng lẻ của một trong hai loại protein. Dưới sức căng thấp, liên kết sợi đôi tồn tại lâu hơn gấp mười lần so với liên kết sợi đơn trước khi đứt.

Theo các tác giả, sức mạnh tăng lên này dường như là do bản chất năng động của kết nối. Thay vì hoạt động như một sợi dây tĩnh đơn giản, các sợi sẽ tách ra và gắn lại với nhau trong vòng một phần mười giây. Một lực có thể làm đứt một cặp sợi dây, nhưng cặp sợi kia vẫn có thể được kết nối đủ lâu để cặp sợi bị đứt liên kết lại.

Tuy nhiên, ở lực cực cao, liên kết sợi đôi bị đứt nhanh chóng. Tính năng này có thể giúp ngăn ngừa tổn thương nghiêm trọng đối với các thành phần khác của tế bào tóc, các tác giả cho biết.

“Nếu liên kết đầu cực mạnh, thì khi tiếp xúc với một âm thanh rất lớn, nó có thể xé toạc toàn bộ phức hợp ra khỏi màng tế bào, điều này khó có thể khôi phục lại được”, Wong, đồng thời là thành viên khoa liên kết của trường cho biết. Viện Kỹ thuật Lấy cảm hứng Sinh học Wyss tại Harvard.

Ông nói thêm: “Khả năng ngắt mạch với âm thanh lớn tương tự như một bộ ngắt mạch cơ khí. “Việc sử dụng nhiều liên kết yếu để tạo thành bộ ngắt mạch sinh học có thể điều chỉnh được có thể rất thú vị đối với các hệ thống được thiết kế tổng hợp.”

Đáng ngạc nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng trong điều kiện căng thẳng nghỉ ngơi, mỗi liên kết đầu chỉ kéo dài khoảng 8 giây trước khi nó bị đứt. Các phân tích của họ, cùng với bằng chứng từ các nghiên cứu khác, cho thấy rằng các liên kết đầu mút mới có thể hình thành nhanh chóng từ các sợi protein khác gần đó. Kết hợp với nhau, các kết quả hỗ trợ một mô hình mới về sự hình thành và đứt gãy liên kết đầu nhọn năng động cao, vừa hỗ trợ vừa bảo vệ thính giác.

Nhóm nghiên cứu cũng xem xét các đột biến đối với protocadherin-15 có liên quan đến hội chứng Usher, một chứng rối loạn di truyền hiếm gặp của bệnh điếc và mù. Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng một số đột biến này có thể làm suy yếu rất nhiều liên kết giữa các sợi liên kết đầu mút. Đây có thể là lý do tại sao rối loạn này dẫn đến điếc và sự hiểu biết cơ học hơn nữa về quá trình này có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới, các tác giả cho biết.

Corey nói: “Thật khó để sửa chữa một cái gì đó nếu bạn không thực sự biết những gì bị hỏng và chúng tôi lạc quan rằng sự hiểu biết tốt hơn có thể giúp đưa ra các giải pháp mới.

Ngoài ra, những phát hiện mới có thể giúp cung cấp thông tin về nghiên cứu ở các khu vực khác của cơ thể.

Corey nói thêm: “Chúng ta có nhiều giác quan cơ học khác nhau ngoài thính giác, chẳng hạn như xúc giác, cảm giác huyết áp và một số loại đau. “Chúng tôi hiểu thính giác đến từng chi tiết phân tử hơn bất kỳ kiến ​​thức nào khác — kiến ​​thức có thể giúp chúng tôi thăm dò hoạt động của các giác quan cơ học khác.”

Nguồn: medicalxpress