Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong một tế bào

Chúng ta đang đặt chân mình vào một thế giới chưa từng thấy trước đây.

Nếu có bộ phim nào đó có thể khiến Wanda Kukulski, một nhà hóa sinh tại Đại học Bern, Thụy Sĩ say mê như một người mất hồn, thì đó chính là bộ phim tài liệu về đời sống bên trong một tế bào. Chúng ta thường nói tế bào là những viên gạch của sự sống, bên trong đó, các hoạt động của tế bào giống như từng hơi thở nhỏ nhẹ của sinh vật.

"Tôi bị choáng ngợp bởi vẻ đẹp và sự phức tạp của chúng, đến nỗi vào mỗi buổi tối, tôi đều bật những video này lên và xem chúng như một cuốn phim tài liệu", Kukulski nói.

Để tái tạo lại được những thước phim chân thực về đời sống bên trong một tế bào thật không hề đơn giản. Chúng ta biết kích thước trung bình của một tế bào là 10-100 micromet, các bào quan bên trong đó còn có kích thước nhỏ hơn gấp hàng chục tới hàng trăm lần.

Từng phân tử protein trong tế bào có kích thước chỉ khoảng 5-10 nanomet. Trong khi đó, lipid còn có kích thước nhỏ hơn từ 3-5 nanomet. Các công nghệ kính hiển vi quang học thì chỉ có thể nhìn thấy từng cụm tế bào, với độ phân giải không vượt quá 400 nanomet (là bước sóng ánh sáng nhỏ nhất mà mắt người thu nhận được). Nó rõ ràng là không đủ để giúp chúng ta nhìn vào bên trong từng tế bào.

Vậy làm thế nào để nhìn được vào bên trong các tế bào?

Ngày nay, các nhà khoa học đang sử dụng những công nghệ kính hiển vi vô cùng tinh vi để làm điều đó. Điển hình là hai công nghệ cryo-EM và cryo-ET. Một trong hai kỹ thuật chụp ảnh này đã đạt được tới độ phân giải của từng nguyên tử, nghĩa là cỡ 0,1 nanomet, ở đó ngay cả các protein cũng trở nên to lớn và các tế bào trở thành khổng lồ.

Grant Jensen, một nhà sinh vật học cấu trúc tại Viện Công nghệ California cho biết mỗi lần quan sát các tế bào qua các kính hiển vi này là một lần ông có cơ hội khám phá các địa hình khác nhau của tế bào, đặt chân tới những thế giới chưa từng ai biết đến.

"Chắc chắn, đó là một niềm vui lớn khi bạn nhìn thấy thứ gì đó lần đầu tiên", Jensen nói. Các nhà nghiên cứu khác cũng chia sẻ niềm vui của ông. Elizabeth Villa, một nhà lý sinh tại Đại học California nhớ lại sự phấn khích tột độ của cô khi lần đầu tiên cô nhìn thấy cấu trúc tế bào bằng kính hiển vi cryo-ET.

"Có cảm giác như đột nhiên, chúng tôi đều trở thành những tay săn ảnh paparazzi với quyền truy cập vào những nơi chúng tôi chưa từng đến được trước đây", Villa nói.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã dựa vào một kỹ thuật gọi là tinh thể học tia X để chụp lại hình ảnh của các protein, virus và nhiều thực thể sinh học khác. Phương pháp này bao gồm hai bước:

Đầu tiên là phải làm ổn định phân tử sinh học khiến chúng tạo thành các tinh thể tĩnh, có trật tự. Bước thứ hai là bắn phá các mẫu phẩm này bằng chùm tia X cường độ cao, từ đó thu lại các tín hiệu tán xạ, phản xạ hay khúc xạ, đâm xuyên từ tia X và dựng lại hình ảnh của các phân tử sinh học đó.

Tinh thể học tia X đã cho phép con người quan sát DNA và phát hiện ra chúng là các chuỗi có hình xoắn kép. Sau đó, nó tiếp tục mở đường cho chúng ta khám phá ra cấu trúc của hơn 100.000 protein khác nhau. Có điều, kỹ thuật này đi đến một giới hạn cùng với những hạn chế. Đó là việc làm ổn định phân tử sinh học rất khó, không phải lúc nào cũng thực hiện được.

Do vậy, các nhà khoa học đã phát minh ra một phương pháp mới được gọi là kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-EM), một kỹ thuật cho phép chụp lại cấu trúc của các phân tử sinh học khi chúng bị đóng băng và cô lập với môi trường xung quanh.

Trong kỹ thuật cryo-EM, mẫu phẩm sinh học được tắm dưới các chùm electron có thể cho ra ảnh chụp đạt tới độ phân giải 1,2 ångströms (1,2 × 10^–10m), tương đương với việc chụp được từng nguyên tử riêng biệt trong mỗi tế bào.

Cột mốc này đã làm nên một "cuộc cách mạng độ phân giải" vào năm 2013, từ đó thu hút rất nhiều nhà khoa học đổ xô vào sử dụng phương pháp này. Nó đã giúp họ quan sát được cấu trúc của hơn 10.000 phân tử sinh học, đặc biệt là các protein được tìm thấy trong màng tế bào bởi vì chúng có vai trò rất quan trọng trọng việc hiểu cơ chế xâm nhập của mầm bệnh và tạo được ra các loại thuốc, vắc-xin chống lại bệnh truyền nhiễm.

Trong đại dịch COVID-19, chính các kính hiển vi điện tử lạnh đã cho phép các nhà khoa học chụp được ảnh virus SARS-CoV-2 với độ phân giải cao nhất, thấy rõ đến từng khu vực trong protein gai của virus được gọi là miền liên kết thụ thể (RBD).

Miền liên kết này chính là thứ virus SARS-CoV-2 dùng để gắn vào thụ thể ACE-2 của tế bào người, từ đó gây bệnh cho chúng ta. Nó được ví như cái nanh của con rắn độc, và với việc quan sát được RBD, các nhà khoa học đã làm sáng tỏ được bản chất lây nhiễm của COVID-19.

Nhưng cuộc cách mạng với kính hiển vi điện tử lạnh hẳn nhiên vẫn chưa dừng lại. Khoảng một vài năm sau khi đạt tới độ phân giải nguyên tử, các nhà khoa học đã cải tiến cryo-EM trở thành cryo-ET (kính hiển vi điện tử lạnh truyền qua).

Giống như cryo-EM, cryo-ET chụp ảnh bằng các chùm electron và dựa vào phương pháp chuẩn bị mẫu được gọi là quá trình thủy tinh hóa: làm lạnh siêu nhanh nước xung quanh mẫu để nó đóng băng thành trạng thái giống như thủy tinh thay vì tinh thể nước đá.

Tuy nhiên, khác với cryo-EM thường yêu cầu các mẫu phải được chuẩn bị cực kỳ tinh sạch, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng cryo-ET để thu giữ các phân tử này tại chỗ, không cần chúng phải đạt tới độ tinh khiết.

Một so sánh thú vị là cryo-EM giống như bạn đang chụp ảnh thẻ 4x6 cho một phân tử sinh học. Bạn phải chuẩn bị, chải chuốt cho nó, đặt nó vào đúng một vị trí cân bằng, nghiêm túc và chỉ chụp được một góc độ duy nhất.

Còn với cryo-ET, nó giống như chụp ảnh ngẫu hứng, bạn có thể bắt được ảnh của phân tử trong mọi khoảnh khắc đời thường của nó, từ đó cho phép các nhà khoa học nhìn thấy đời sống chân thực nhất của chúng bên trong tế bào.

Ngoài ra với cryo-EM, các nhà khoa học chỉ có thể tạo ra hình ảnh 3D của phân tử sinh học bằng cách chụp từng tấm ảnh 2D của rất nhiều phân tử bị cô lập ở các cấu hình khác nhau rồi kết hợp các kết quả lại. Ngược lại, với cryo-ET chúng ta có thể chụp được một lúc rất nhiều ảnh của một đoạn vật liệu, chứa đầy các phân tử từ nhiều góc độ khác nhau, cho phép giữ nguyên vẹn môi trường xung quanh nó.

Đây là lý do tại sao Wolfgang Baumeister, một nhà lý sinh tại Viện Hóa sinh Max Planck ở Đức gọi cryo-ET là một phương pháp nghiên cứu "tính xã hội học của phân tử". Đó mới là cách chụp ảnh chân thực nhất các protein đang sống.

Villa cho biết: "Protein có tính xã hội - tại bất kỳ thời điểm nào, một protein cũng sẽ có mặt trong một phức hợp với khoảng 10 loại protein khác. Sau khi quan sát những tương tác này dưới ống kính cryo-ET, tôi không thể nghĩ mình có thể nghiên cứu chỉ một protein một cách cô lập".

Điểm yếu của kính hiển vi điện tử lạnh truyền qua hiện tại là việc nó chưa đạt được tới độ phân giải cao như cryo-EM. Tuy nhiên Baumeister cho rằng trong giai đoạn đầu phát triển, cryo-EM cũng có độ phân giải tệ hại, sau đó mới dần dần cải tiến lên.

Vì vậy, ông cho rằng không lâu nữa cryo-ET cuối cùng sẽ cho phép các nhà khoa học nhìn thấy các phân tử sinh học tương tác với nhau dưới độ phân giải nguyên tử. Cho đến lúc đó, các nhà khoa học vẫn tiếp tục sử dụng song song nhiều phương pháp như cryo-EM và cryo-ET để nghiên cứu cấu trúc của các thực thể sinh học, nhằm giải đáp những bí ẩn về cuộc sống.

Như Villa nói: "Điều tôi yêu thích nhất về những kính hiển vi này là với chúng, các nhà khoa học như chúng tôi luôn đặt ra được nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời".