Bằng cách đưa gene ngoại lai vào mực nang lùn, các nhà khoa học có thể tạo ra những con vật mang protein huỳnh quang, giúp theo dõi hoạt động của tế bào thần kinh.

Mực nang vốn đã là một trong những sinh vật có khả năng thay đổi diện mạo ấn tượng nhất tự nhiên. Chỉ trong thời gian rất ngắn, chúng có thể thay đổi màu sắc, hoa văn và kết cấu da để ngụy trang hoặc giao tiếp.

Nhóm nghiên cứu của TS Tessa Montague, Viện Zuckerman Mind Brain Behavior thuộc Đại học Columbia đã phát triển các dòng mực nang biến đổi gene có thể biểu hiện những chất chỉ thị hoạt động thần kinh, chẳng hạn các protein cảm biến calcium, cũng như những kênh ion có thể được kích hoạt bằng ánh sáng. Khi một neuron hoạt động, sự thay đổi calcium có thể làm tín hiệu huỳnh quang thay đổi, cho phép các nhà khoa học theo dõi hoạt động của não bằng kính hiển vi.

Mực nang có hệ thần kinh phức tạp, vòng đời đặc biệt và các đặc điểm sinh học khiến việc thao tác với phôi khó hơn nhiều so với các mô hình phòng thí nghiệm truyền thống.

Một trong những trở ngại đầu tiên là phôi mực nang được bao phủ bởi một lớp màng bảo vệ rất chắc. Bên ngoài lại có một lớp vật chất giống như thạch và mực, khiến việc tiếp cận tế bào phôi cực kỳ khó khăn.

Nhóm của Montague phải xử lý trứng để loại bỏ lớp thạch bên ngoài, sau đó đưa một chiếc kim quartz cực nhỏ xuyên qua lớp màng cứng để tiếp cận tế bào nằm phía trên khối noãn hoàng.

Tiêm DNA vào phôi mới chỉ là bước đầu. Nếu gene ngoại lai chỉ tồn tại tạm thời trong một số tế bào, con mực có thể biểu hiện protein huỳnh quang nhưng đặc điểm đó sẽ không nhất thiết được truyền cho thế hệ con.

Mục tiêu khó hơn nhiều là đưa gene vào hệ gene của phôi ở vị trí và thời điểm thích hợp để nó đi vào dòng tế bào sinh dục. Khi con vật trưởng thành và sinh sản, gene đó phải được truyền cho thế hệ tiếp theo.

Đó mới là một dòng động vật biến đổi gene ổn định. Các nhà khoa học từng thử nhiều phương pháp, từ CRISPR-Cas9 đến các enzyme và hệ thống tích hợp DNA khác. Một hướng được nhóm Montague quan tâm là meganuclease I-SceI, một enzyme có thể cắt DNA tại vị trí đặc hiệu và giúp DNA ngoại lai tích hợp vào hệ gene. Nhóm cũng phải tìm những promoter phù hợp để điều khiển gene ngoại lai hoạt động đúng trong tế bào mực nang, đặc biệt là neuron.

Giá trị của mực nang biến đổi gene nằm ở chỗ nó có một đặc điểm mà rất ít mô hình động vật khác sở hữu: não trực tiếp điều khiển một “màn hình” sống trên cơ thể.

Mỗi lần mực nang nhìn thấy một vật thể, não phải xử lý thông tin thị giác, quyết định kiểu ngụy trang phù hợp rồi truyền tín hiệu đến các neuron vận động điều khiển những tế bào sắc tố trên da.

Nếu đồng thời ghi lại hoạt động của neuron và sự thay đổi hoa văn trên da, các nhà khoa học có thể lần theo cả chuỗi quá trình: từ hình ảnh bên ngoài, đến hoạt động của não, rồi đến hành vi.

Đó là lý do nhóm Montague xây dựng cả bộ công cụ dành riêng cho mực nang lùn, gồm bộ gene, bản đồ não 3D, dữ liệu phát triển phôi và các hệ thống nghiên cứu hành vi.