TiaSang
Thứ 4, Ngày 26 tháng 6 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Kỹ thuật kính hiển vi mang tính cách mạng giành giải Breakthrough

19/10/2018 15:19 -

Các giải Breakthrough, mỗi giải trị giá 3 triệu USD, vinh danh những nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học sự sống, vật lý và toán học.

Xiaowei Zhuang đã giành giải thưởng Breakthrough trong khoa học sự sống trị giá 3 triệu USD cho nghiên cứu về kỹ thuật kính hiển vi. Nguồn: Cheryl Senter/HHMI

Một bức ảnh có thể trị giá bằng cả ngàn lời – nhưng việc phát minh ra cách có thể tạo ra các bức ảnh ở cấp độ nano có thể trị giá 3 triệu USD. Phát minh kỹ thuật kính hiển vi “siêu phân giải” mà các nhà sinh học đang sử dụng để phát hiện ra các cấu trúc phân tử bị dấu kín của tế bào là một trong số 6 người giành giải thưởng Breakthrough 2018 – giải thưởng danh giá về toán học, khoa học thường được loan báo vào ngày 17/10 hàng năm.   

Xiaowei Zhuang - người đóng vai trò quan trọng trong phương pháp kính hiển vi này, là một nhà sinh lý học tại trường đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts và là nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu Y tế Howard Hughes (HHMI) ở Chevy Chase, Maryland. Chị là một trong số 4 người được trao giải ở lĩnh vực khoa học sự sống vì đã phát triển STORM – phương pháp dựng ảnh hiển vi quang học từ ánh sáng ngẫu nhiên, trong vòng một thập kỷ qua. Là một trong những kỹ thuật đầu tiên phá vỡ giới hạn phân giải cơ bản của kính hiển vi ánh sáng thông thường, kỹ thuật này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng sinh học. 

“Nhận được giải thưởng lớn này là điều vô cùng vinh dự, tôi cảm thấy xúc động khi nhận được cuộc gọi của hội đồng giải thưởng”, Xiaowei Zhuang nói.

“Đây là một nghiên cứu xuất sắc, Allard Mosk – nhà vật lý quang học và chuyên gia về kính hiển vi ở đại học Utrecht ở Hà Lan, nhận xét. “Zhuang đã đóng góp nhiều kết quả thực sự đem lại cuộc cách mạng siêu phân giải trong kính hiển vi sinh học” (Giải Nobel Hóa học 2014 được trao cho những nhà phát triển các phương pháp siêu phân giải khác). 

Giới hạn phân giải của kính hiển vi ánh sáng thông thường – vốn tỷ lệ với bước sóng của ánh sáng quang học được sử dụng cùng – đã được xác định đầu tiên vào thế kỷ 19 và không thể phân biệt được các vật thể nhỏ hơn 200 nanomet. “Những bức ảnh của hai vật thể chồng lên nhau trong không gian sẽ nhòe vào nhau ở một điểm, vậy anh có thể phân tách chúng ra như thế nào”, Zhuang nói. “Câu trả lời của chúng tôi là STORM đã phân tách chúng ra trong chiều thời gian”.  

Cách thức này bao gồm cả việc gắn thẻ các phân tử chồng lấn với các hợp chất huỳnh quang “có khả năng nhạy ánh sáng (photoswitchable)” có thể hoặc không có thể phát sáng khi được rọi sáng. Các nhà sinh học có thể kiểm soát được các phân tử riêng lẻ sẽ được nhuộm huỳnh quang – những phân tử khác được chiếu sáng một cách ngẫu nhiên từng thời điểm. 

Khi một mẫu sinh học được gắn thẻ được chiếu sáng bằng một tia laser cường độ thấp, chỉ một miếng nhỏ, ngẫu nhiên của các phân tử sẽ sáng lên, cho phép các nhà nghiên cứu thu được những hình ảnh dễ nhận biết của tập hợp con các phân tử luân phiên để các vị trí của những phân tử này được xác định một cách chính xác. Quá trình này sau đó được tái lặp nhiều lần, mỗi lần tập trung vào một tập hợp con ngẫu nhiên khác nhau. Sau đó các nhà sinh học có thể xếp lớp các bộ ảnh chụp nhanh này để tạo ra một bức ảnh toàn vẹn.  

Kỹ thuật này dẫn đến một chùm những khám phá. Giữa những khám phá này, nhóm nghiên cứu Zhuang đã dùng STORM để nhìn vào các phân tử ngay bên dưới lớp màng của các neuron thần kinh, và khám phá cytoskeleton – khung cấu trúc của một tế bào – là gồm các yếu tố lặp lại. “Thật là một cấu trúc đẹp và bất ngờ, hầu như giống hệt các xương sườn của một bộ xương mà anh thấy trong dịp Halloween”. 

Từ đó chị đã phát triển kỹ thuật hình ảnh khác và đặt mục tiêu cuối cùng là tạo ra một “Google Map của từng tế bào trong cơ thể chúng ta – đặc biệt là não”. 

Eugene Mele (trái) và Charles Kane cùng chia sẻ giải thưởng Breakthrough cho nghiên cứu về các vật liệu ngoại lai trong lĩnh vực vật lý. Nguồn: Eric Sucar/Univ. Pennsylvania

Vật lý và toán học

Giải thưởng Breakthrough cho vật lý cơ bản được trao cho Charles Kane và Eugene Mele của trường đại học Pennsylvania ở Philadelphia cho công trình dự đoán về sự tồn tại của một loại vật liệu ngoại lai được biết là cách điện dạng topo. Những phần bên trong của các vật liệu này là chất cách điện trong khi bề mặt của nó lại dẫn điện. Một ngày nào đó chúng có thể được dùng để tạo ra các thiết bị điện tử hiệu suất điện năng cao và tạo ra các máy tính lượng tử. 

Kane nhớ lại việc cố gắng tính toán các tính năng có thể của vật liệu graphene carbon độ dày một nguyên tử trong năm 2005 và dự đoán về hiệu ứng phản trực giác có thể xuất hiện mặt lý thuyết. Hiệu ứng được dự đoán này tuy nhỏ nhưng không thể xác nhận trong vật liệu graphene bằng thực nghiệm, và Kane thừa nhận gần như bỏ bê ý tưởng này. “Có một giọng nói trong đầu tôi cho rằng ‘thật là ngu xuẩn’”, ông kể lại. Nhưng hiệu ứng này sau đó đã được nhiều nhà nghiên cứu khác xác nhận trong hợp chất mercury telluride vào năm 2007 và kể từ đó đã được kiểm chứng trong nhiều vật liệu khác. “Tôi nghĩ là tôi vui khi đã ‘mắc kẹt’ với nó”, Kane nói. 

“Kane và Mele đã viết lại vật lý chất rắn từ nguyên tắc cơ bản này”, Judy Cha – nhà nghiên cứu cách tử topo  tại trường đại học Yale tại New Haven, Connecticut, nhận xét. Bà kể lại, khi các vật liệu này được khám phá đã tạo ra ‘bầu không khí phấn khích rõ ràng” trong cộng đồng vật lý. Năm nay, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cũng khoảng ¼ các vật liệu có khả năng đem lại các đặc tính topo. 

Angelika Amon giành một giải Breakthrough trong lĩnh vực khoa học sự sống cho những tính toán nhiễm sắc thể bất thường. Nguồn: Samara Vise/MIT

Các nhiễm sắc thể và hệ miễn dịch
 
Các giải thưởng về khoa học sự sống khác thuộc về  C. Frank Bennett của công ty dược Ionis Pharmaceuticals tại Carlsbad, California, và  Adrian Krainer tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor ở New York được ghi nhận do phát triển một liệu pháp hiệu quả để “khóa” gene là nguyên nhân dẫn đến bệnh thoái hóa cơ tủy ở trẻ em; và Angelika Amon của Viện Công nghệ Massachusetts MIT ở Cambridge và HHMI bởi việc xác định một số lượng dị thường các nhiễm sắc thể có thể phá vỡ cơ chế tự sửa chữa của tế bào như thế nào, dẫn đến hậu quả như hội chứng Down hoặc sảy thai; và nhà nghiên cứu HHMI Zhijian Chenat tại UT Southwestern Texas ở Dallas vì khám phá cGAS - enzyme thụ cảm DNA, có liên quan đến việc kích hoạt các phản hồi miễn dịch và tự miễn dịch. 

Vincent Lafforgue  của Hội đồng nghiên cứu quốc gia (CNRS) ở Grenoble, Pháp nhận giải Breakthrough toán học cho những đóng góp vào chương trình Langlanhs. Thường được nhắc đến như một lý thuyết tập hợp lớn của toán học, chương trình này bao gồm việc tạo ra một bộ các giả định kết nối các lĩnh vực vốn ở cách xa nhau của đại số, lý thuyết số và giải tích.  

Được nhà sáng lập internet Yuri Milner và sáng lập Facebook Mark Zuckerberg thành lập từ năm 2012, giải thưởng Breakthrough được một hội đồng khoa học chọn lựa và trao hằng năm. Việc loan báo giải thưởng năm nay được mở màn vào tháng 9 với giải thưởng Breakthrough đặc biệt cho nhà vật lý thiên văn Jocelyn Bell Burnell của trường đại học Oxford và Durham cho những khám phá về các sao pulstar.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07079-5

Tags: