Nobel Hóa học: Ứng dụng kính hiển vi nhiệt độ thấp cho quan sát các phân tử sinh học
Ba nhà khoa học Jacques Dubochet - Đại học Lausanne (Thụy Sĩ), Joachim Frank - Đại học Columbia (Mỹ), và Richard Henderson – Phòng Thí nhiệm Sinh học phân tử thuộcTrung tâm Nghiên cứu Y Khoa Cambridge (Anh) cùng đoạt giải Nobel Hóahọc 2017 cho những đóng góp tiên phong trong việc phát minh ra kỹ thuật “electron các phân tử sinh học” giúp kính hiển vi điện tử (cryo-electron microscopehay - cryo-EM) có thể quan sát được hình ảnh ở độ phân giải cao (bao gồm cả hình ảnh 3D) của những phân tử sinh học - từ đầu nhọn mà những vi khuẩn sử dụng để tấn công các tế bào cho tới cấu tạo của virus Zika.
Sự phát triển của kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp: rào cản kỹ thuật cuối cùng đã được giải quyết vào năm 2013, khi một đầu dò điện tử kiểu mới được đưa vào thiết bị.
“Thành tựu trên giúp mở ra một thế giới hoàn toàn mới khi giờ đây chúng ta đã có thể quan sát các phân tử và cách thức chúng tương tác dễ dàng hơn”, Peter Brzezinski – nhà sinh vật học tại Đại học Stockholm (Thụy Điển) nhận định. Hơn thế nữa, so với phương pháp tinh thể học tia X, công nghệ này còn giúp cryo-EM giải quyết những vấn đề ở cấp độ nguyên tử. “Chúng ta đang đứng trước một cuộc cách mạng hóa sinh”, Sara Snogerup Linse – nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Protein Phân tử thuộc Đại học Lund (Thụy Điển), thành viên trong Ủy ban trao giải Nobel phát biểu.
Kính hiển vi điện tử ra đời từ khá sớm, với nguyên mẫu đầu tiên là vào năm 1931, nhưng tồn tại nhiều hạn chế lớn đối với những nhà sinh vật học khi họ phải đựng các tiêu bản trong chân không siêu cao khiến phân tử bị khô và méo mó cấu trúc, sau đó họ phải chiếu một chùm tia điện tử có năng lượng cao vào chúng và có thể phá hủy những phần tử nhạy cảm. Phương pháp tinh thể học tia X ra đời từ những năm 1950 đã giúp tái tạo hình ảnh tĩnh của cấu trúc protein – trong trường hợp các nhà khoa học có thể tinh thể hóa chúng. Tới những năm 1980, phương pháp cộng hưởng từ trường hạt nhân đem đến giải pháp cho hình ảnh của cấu trúc protein, tuy nhiên hầu hết chỉ ở những protein nhỏ.
Thành tựu hôm nay của các học giả đạt giải Nobel sẽ giúp kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp (cryo-EM – cryo là dẫn ra từ thuật ngữ “cryogenics” – kỹ thuật nhiệt độ thấp) đem tới cách thức dễ dàng hơn trong việc quan sát nhiều loại phân tử sinh vật, ngoài ra còn hướng tới những mục tiêu quan trọng khác như nghiên cứu các loại dược phẩm mới. “Đây là một phương pháp trực tiếp, dễ hiểu và nói chung là rất mạnh”, Henderson chia sẻ với Nobel.se trong một bài phỏng vấn. Khi đang dự một cuộc gặp gỡ khoa học về chủ đề cryo-EM thì ông nhận được điện thoại thông báo nhận giải Nobel cùng với Frank và Debochet. “Tôi nghĩ điều này thật sự rất thú vị”, Henderson nói.
Bước tiến quan trọng của Henderson đạt được khi ông thất vọng với phương pháp tinh thể học tia X do không thể tách các protein bị gắn với màng tế bào. Vì vậy, ông đã đưa màng tế bào của một loại vi khuẩn tên là bacteriorhodopsin vào kính hiển vi điện tử truyền qua và phủ glucose lên để giữ ẩm. Tiếp đó, Henderson giảm năng lượng của chùm điện tử để giảm khả năng phá hủy mẫu và tạo nên một hình ảnh có độ tương phản thấp. Vì các phân tử gắn kết với màng theo một trật tự, ông đã sử dụng một mô hình nhiễu xạ để biến những hình ảnh sang độ phân giải cao hơn. Năm 1975, Henderson đã tạo được hình ảnh 3D của protein mô tả rẽ nét nhất cấu trúc protein, lần đầu tiên bằng kính hiển vi điện tử. “Thành tựu đột phá này đã chứng minh những tiềm năng mà công nghệ có thể mang lại” – tuyên bố của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trong thông cáo báo chí. Phương pháp này được thiết kế đặc biệt giành cho việc quan sát những protein trong màng tế bào, nhưng về nguyên tắc thì nó có thể được áp dụng cho bất cứ phân tử nào.
Tuy nhiên, làm sao để sử dụng chùm điện tử năng lượng thấp trong việc quan sát những phân tử ít được tổ chức hơn. Bởi vì những phân tử như vậy thường được định hướng ngẫu nhiên cho nên cách sắp xếp của chúng sẽ gây nên sự lẫn lộn khi phân loại hình ảnh. Từ năm 1975 – 1986, Frank đi tìm hướng giải quyết vấn đề này bằng việc đọc dữ liệu, phân loại các hình ảnh thành những nhóm liên quan rồi tính giá trị trung bình cho từng nhóm. Công việc này giúp phân loại rõ hơn những hình ảnh 2D và còn cho phép việc kết hợp chúng để tạo ra những cấu trúc 3D. Giải thưởng Nobel khiến Frank thật sự choáng ngợp và ông nói với báo chí qua điện thoại: “Tôi không thể nói nên lời”
Những đóng góp quan trọng khác do Dubochet thực hiện vào đầu những năm 1980. Thách thức khi đó là những tiêu bản bị đóng băng sẽ làm tán xạ chùm điện tử và gây ra những tương phản không cần thiết trong ảnh hiển vi điện tử. Dubochet phát hiện ra rằng nếu làm đông cứng nước đủ nhanh, như những tinh thể thủy tinh thì băng sẽ không hình thành. Bằng cách nhúng tiêu bản vào trong Etan được làm lạnh qua ni-tơ hóa lỏng (ở nhiệt độ -196 độ C), Dubochet đã tạo ra những hình ảnh sắc nét đến ngoạn mục. “Mọi người từ khắp nơi trên thế giới tìm tới lab của ông ấy để học hỏi kỹ thuật này”, Brzezinski cho biết. Khi các phân tử bị làm đông lạnh nhanh, chúng vẫn tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau, điều này cho phép những nhà nghiên cứu ráp nối các hình ảnh thành những bộ phim và tái tạo lại hoạt động của chúng.
Kết hợp những sáng tạo của cả ba nhà khoa học đã đẩy độ phân giải của hình ảnh từ cryo-EM lên mức 0.5 nm. Dù chưa thể bằng được phương pháp tinh thể học tia X – hiện ở mức 0.2 nm hay tốt hơn thế, nhưng sáng kiến của Henderson khi thay thế máy chụp sử dụng phim bằng máy kỹ thuật số đã đưa độ phân giải lên 0.25 nm. “Điều này đã giúp chúng tôi tiến vào địa hạt của tinh thể học tia X” – Henderson nói.
Cryo-EM đang hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ cấu trúc của những phân tử phức tạp hơn nhiều, bao gồm ribosome – nơi sản sinh ra protein, và spliceosome – cấu trúc phức hợp giữ cho các vật liệu di truyền không được mã hóa nằm bên ngoài RNA. Henderson nói rằng thế giới của những protein và các phức hợp protein không liên kết với màng tế bào – vốn rất rộng lớn và không thể sử dụng phương pháp tinh thể hóa – giờ đây đã có thể tiếp cận được. Ông cho biết: “Trong một vài năm tới, có thể là 5 năm, chúng ta sẽ hiểu biết hầu hết các cấu trúc, ít nhất là ở người và các vi khuẩn gây bệnh – Lúc đó sẽ rất thú vị”.
Cuộc cách mạng vẫn chưa dừng lại ở đó. Viện Y tế Quốc gia và các quỹ tài trợ cho những nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh đang chi hàng chục triệu USD để xây dựng các trung tâm cryo-EM mới nhằm mở rộng khả năng tiếp cận với kỹ thuật này. Một điểm nổi bật, như Ramakrishnan nói, là những nhà sinh học cấu trúc giống như ông sẽ thoát khỏi sự phụ thuộc vào phương pháp tinh thể học tia X.
Sự chuyển dịch này có thể còn tác động lên những máy gia tốc synchrotron – có kích thước lớn như các sân vận động, trị giá hàng tỷ USD – để tạo ra tia X cho những thí nghiệm với phương pháp tinh thể học. Tại châu Âu, một số máy synchrotron đã bổ sung thêm các thiết bị cryo-EM. Hiện nay, phương pháp tinh thể học tia X vẫn là chuẩn mực để tạo hình ảnh của những protein có thể kết tinh được. Tuy nhiên, giải Nobel năm nay báo hiệu sự ra đời của những tiêu chuẩn mới.
Minh Thuận dịch
Nguồn: http://www.sciencemag.org/news/2017/10/cold-clear-view-life-wins-chemistry-nobel
