Tính ứng dụng của kỹ thuật chụp phân tử sinh học giành giải Nobel

Nhà khoa học Richard Henderson (trái), Joachim Frank (giữa), Jacques Dubochet (phải). Ảnh: Indian Express.

Kỹ thuật kính hiển vi thực nghiệm điện tử đông lạnh của ba nhà khoa học Jacques Dubochet, Joachim Frank và Richard Henderson đoạt giải Nobel Hóa học 2017 mang tính ứng dụng rất cao, theo Guardian.

Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu phân tử sinh học với độ phân giải lớn, trong đó có nghiên cứu về virus Zika và các protein liên quan đến bệnh Alzheimer. Việc chụp phân tử sinh học ở mức phân giải nguyên tử không chỉ giúp các nhà khoa học hiểu cấu trúc của chúng mà còn giúp khám phá các chu trình sinh học bằng cách ghép ảnh chụp ở nhiều thời điểm khác nhau lại.

Thông tin thu thập từ kính hiển vi thực nghiệm điện tử đông lạnh còn giúp các nhà khoa học phát triển thuốc chữa bệnh. "Kỹ thuật này được dùng để hình dung cách kháng thể ngăn chặn virus nguy hiểm, đem lại những ý tưởng mới để chế tạo thuốc", Daniel Davis, giáo sư ngành miễn dịch tại Đại học Manchester, cho biết.

Kỹ thuật mới khắc phục rất nhiều hạn chế trước đây trong nghiên cứu khoa học. Kính hiển vi cho phép con người quan sát những cấu trúc không thể thấy bằng mắt thường. Tuy nhiên, với những cấu trúc cực nhỏ, việc sử dụng tia sáng trở nên vô nghĩa vì độ dài bước sóng của chúng không đủ ngắn.

Thay vào đó, các nhà khoa học có thể dùng các chùm electron với kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoặc phương pháp tinh thể học tia X, trong đó tia X sẽ tán xạ khi đi qua mẫu vật, tạo ra các dạng mẫu để phân tích cấu trúc phân tử.

Tuy nhiên, tinh thể học tia X phụ thuộc vào việc phân tử sinh học tạo thành những cấu trúc có trật tự. Điều này không phải lúc nào cũng xảy ra. Hơn nữa, kỹ thuật này cũng không cho phép con người quan sát cách các phân tử chuyển động. TEM cũng có nhược điểm là chùm electron đốt khô phân tử sinh học, khiến các nhà khoa học không thể nghiên cứu được cấu trúc phân tử.

Kỹ thuật kính hiển vi thực nghiệmđiện tử đông lạnh giải quyết những khó khăn này, cho phép các nhà khoa học sử dụng TEM để quan sát phân tử sinh học dưới độ phân giải cao.

Cấu trúc nguyên tử của một số phức hợp protein. Ảnh: Business Insider.

Frank phát triển các kỹ thuật xử lý hình ảnh tinh vi để phân tách dữ liệu TEM và dựng lại hình ảnh các phân tử sinh học dạng lỏng, khi chúng chĩa ra nhiều hướng khác nhau.

Henderson cùng nhóm nghiên cứu dùng dung dịch glucose để ngăn phân tử khô kiệt, kết hợp chùm electron yếu hơn với những ảnh chụp từ nhiều góc khác nhau và dựng lên hình ảnh 3D của một protein được sắp xếp trật tự trong một màng sinh học. Sau đó, ông thành công tìm ra cấu trúc 3D ở mức phân giải nguyên tử của protein lần đầu tiên.

Dubochet tìm ra phương pháp mới để ngăn phân tử khô kiệt. Kỹ thuật của Henderson không hiệu quả với những phân tử sinh học tan trong nước, trong khi việc đông lạnh mẫu vật tạo ra các tinh thể băng, khiến hình ảnh thu được khó phân tích.

Giải pháp của Dubochet là làm lạnh mẫu vật cực nhanh, biến nước trong tế bào thành dạng thủy tinh rắn thay vì các tinh thể băng gây tổn thương cấu trúc tế bào. Nhờ đó, các mẫu vật sinh học được làm lạnh mà vẫn giữ nguyên hình dạng tự nhiên.

Nghiên cứu của ba nhà khoa học và những nỗ lực hoàn thiện kỹ thuật mới mang lại những bước phát triển vượt bậc. "Kỹ thuật kính hiển vi thực nghiệm điện tử đông lạnh giúp con người quan sát trực tiếp thế giới phân tử của tế bào", Andrea Sella, giáo sư hóa học vô cơ tại Đại học London cho biết. Một trong số những thành tựu của kỹ thuật mới là giúp làm rõ cơ chế AND được sao chép vào trong phân tử đơn ARN.

Trong tương lai, kỹ thuật mới có thể áp dụng để nghiên cứu thuốc, các thành phần trong tế bào liên quan đến việc cảm nhận cơn đau, nhiệt độ và áp suất. Các nhà khoa học cũng đang tiến hành cải thiện thêm độ phân giải.

"Kính hiển vi thực nghiệm điện tử đông lạnh là một trong số những kỹ thuật thiết yếu và quan trọng đến mức nó có thể ứng dụng trong mọi lĩnh vực sinh học, trong đó có tìm hiểu cơ thể người, các căn bệnh ở người và điều chế thuốc mới", Davis cho biết.

Thắng Trần