Nobel Hóa học 2017: Quan sát bí ẩn của sự sống

Richard Henderson đã mở ra hành trình mới để quan sát sự sống.-Ảnh: AP

 Nhiều năm trước, mỗi lần sử dụng kính hiển vi nhiệt độ thấp (cryo-EM) của Đại học Liverpool để đo đạc, tôi không bao giờ nghĩ rằng thiết bị mình đang sử dụng là thành quả của những phát kiến sẽ nhận giải Nobel hóa học.

Lý do là đến thời điểm đó, cryo-EM đã là một thiết bị phổ biến đối với cộng đồng nghiên cứu. Chúng tôi sử dụng chúng trong tâm thế hiển nhiên, mà không để ý rằng để có một thiết bị như vậy, các nhà khoa học tiên phong đã phải vượt qua rất nhiều khó khăn của những ngày đầu.

Kính hiển vi điện tử

Hẳn trong cuộc đời đi học, bạn đã nhiều lần nghe đến ba chữ “kính hiển vi”. Chỉ cần để ý đến cái tên, bạn đã nhận ra công dụng của thiết bị khoa học này.

“Hiển vi” có nghĩa là làm cho những thứ nhỏ bé trở nên rõ ràng dễ thấy. Vì thế, kính hiển vi là thiết bị dùng để phóng đại hình ảnh vật cần quan sát lên nhiều lần để có thể nhìn được rõ ràng, quan sát các vật rất nhỏ mà ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường và là một trong những dụng cụ quan trọng của khoa học.

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của kính hiển vi là độ phân giải. Đó là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm riêng biệt nằm trong thị trường của kính, tức khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm trên mẫu vật mà khi nhìn qua kính, ta còn phân biệt được đó là hai điểm riêng biệt. Hiển nhiên, độ phân giải của kính càng cao thì ta càng quan sát được vật càng nhỏ.

Loại kính hiển vi chúng ta hay được nghe nói đến và có thể cũng đã sử dụng khi ngồi trên ghế nhà trường là kính hiển vi quang học.

Theo nguyên tắc, độ phân giải tối đa của kính hiển vi quang học sẽ bằng một nửa bước sóng của ánh sáng mà chúng ta sử dụng, bằng không ánh sáng sẽ “chồm qua” khiến mắt người không cảm nhận được sự tồn tại của vật đó. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng nằm trong khoảng 0,4-0,7 µm. Nên về lý thuyết, độ phân giải của kính hiển vi quang học không vượt quá 0,2 µm.

Với độ phân giải này, kính hiển vi quang học có thể dùng để quan sát các vật có kích thước cỡ micromet. Đây là kích thước của các tế bào hoặc các vi sinh vật. Vì thế, sự ra đời của ngành vi sinh vật học và tế bào học gắn liền với sự ra đời của kính hiển vi quang học.

Tuy nhiên, với những vật nhỏ hơn, có kích thước nanomet chẳng hạn, kính hiển vi quang học không dùng để quan sát được.

Dùng kính hiển vi quang học có thể quan sát được các tế bào, nhưng lại không thể quan sát được những gì đang diễn ra bên trong tế bào, tức không khác gì việc quan sát một ngôi nhà mà chỉ thấy ngôi nhà chứ không thấy những con người, đồ vật và sinh hoạt diễn ra bên trong. Sự thấu hiểu về đời sống của gia đình bên trong ngôi nhà đó, tức các hoạt động bên trong tế bào, là bất khả trước thời cryo-EM.

Năm 1933, Ernst Ruska lần đầu tiên chế tạo thành công kính hiển vi điện tử (EM) trong phòng thí nghiệm. Cơ học lượng tử chỉ ra rằng các hạt vi mô có lưỡng tính sóng hạt, với bước sóng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng hàng nghìn lần.

Nên nếu có thể dùng các chùm điện tử thay cho ánh sáng trong kính hiển vi quang học, ta sẽ có EM với độ phân giải cao hơn hàng nghìn lần.

Năm 1939, cũng nhờ Ruska (công trình này giúp nhà vật lý học người Đức nhận giải Nobel vật lý 1986), khi đó làm việc cho Công ty Siemens, chiếc EM thương mại đầu tiên ra đời, một kỷ nguyên mới của khoa học mở ra.

 Chinh phục thử thách

Sự ra đời của EM kéo theo những phát triển vượt bậc trong khoa học, trong hàng loạt ngành vật lý, hóa học, luyện kim, khoa học vật liệu...

Tuy nhiên, sinh học và hóa sinh không được hưởng nhiều lợi ích từ EM bởi đối tượng nghiên cứu của các ngành này là những phân tử hữu cơ, protein, sinh phẩm chứa nước, dễ dàng bị đốt cháy dưới tác dụng của chùm điện tử có năng lượng lớn.

Mọi chuyện thay đổi nhờ bàn tay của Richard Henderson. Trước đó, để quan sát cấu trúc phân tử protein trong tế bào, các nhà khoa học chỉ có một cách: sử dụng nhiễu xạ tia X đối với các mẫu tinh thể protein. Cấu trúc xoắn của ADN được tìm ra lần đầu tiên bằng cách đó.

Tuy nhiên, không phải protein nào cũng kết tinh trở thành tinh thể để nghiên cứu được bằng phương pháp này.

Một cách hiển nhiên, với sự xuất hiện của EM có độ phân giải rất cao, người ta sẽ kỳ vọng việc sử dụng EM để trực tiếp quan sát và nghiên cứu các protein. Tuy nhiên, trên thực tế việc sử dụng EM với ngành hóa sinh và sinh học vấp phải nhiều khó khăn tưởng chừng không thể vượt qua.

Khó khăn đầu tiên là các tia điện tử sử dụng trong EM có năng lượng rất lớn, vì thế sẽ phá hủy các phân tử protein, làm cho việc quan sát chúng trở nên bất khả. Khó khăn thứ hai là các protein thường phân bố và định hướng ngẫu nhiên, nên không thể sử dụng các phương pháp nghiên cứu cấu trúc quen thuộc với chúng.

Cuối cùng, EM sử dụng môi trường chân không cực cao, mà các sinh phẩm lại chứa rất nhiều nước. Trong môi trường chân không cao như thế, nước sẽ bốc hơi làm biến dạng và thay đổi cấu trúc tự nhiên của các protein, làm đối tượng nghiên cứu không còn là chính nó nữa.

Để tránh phá hủy các protein, Handerson đã giảm cường độ chùm tia điện tử xuống. Ông kết hợp phương pháp tính toán tương tự như trong nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc và chụp ảnh các protein này từ nhiều góc độ khác nhau.

Nhờ đó, lần đầu tiên hình ảnh của một protein được chụp bởi EM, với độ phân giải lên đến 7 Ångtrӧm (0,0000007mm) đã được tạo ra và công bố vào năm 1975.

Sau nhiều cải thiện về thiết bị và phương pháp, Handerson lần đầu tiên đạt đến độ phân giải 3 Ångtrӧm, tương đương độ phân giải của phương pháp nhiễu xạ tia X, và công bố hình ảnh của protein bacteriorhodopsin với độ phân giải cỡ nguyên tử vào năm 1990.

Tuy nhiên, loại protein mà Handerson sử dụng là bacteriorhodopsin. Chúng sắp xếp định hướng tương đối đều đặn, nên mới có thể sử dụng phương pháp của nhiễu xạ tia X để xử lý. Với các protein sắp xếp ngẫu nhiên thì hiển nhiên phương pháp của Handerson không sử dụng được.

Vậy có cách nào để khắc phục? Ông tin là có nhưng chưa biết làm thế nào.

Giờ tới lượt Joachim Frank ở Mỹ, người năm 1975 có ý tưởng đột phá trong việc xử lý các hình ảnh của protein sắp xếp ngẫu nhiên, thu được bởi EM để có hình ảnh ba chiều về các protein này. Ý tưởng này thoạt nhìn khá đơn giản: các protein sắp xếp theo các hướng khác nhau thì hình chiếu - hay “bóng” của chúng - sẽ có hình dạng khác nhau.

Nếu gom những “cái bóng” có hình dạng tương tự nhau lại và xử lý, ta sẽ thu được một “cái bóng” rõ ràng hơn. Tiếp tục làm như vậy, ta sẽ có được hình ảnh của protein ở nhiều góc cạnh khác nhau, nhờ đó ta có thể dựng lại được hình ảnh ba chiều của chúng.

Như vậy, vấn đề ngẫu nhiên đã được xử lý, nhưng vấn đề nước bốc hơi trong môi trường chân không thì phải đợi tới Jacques Dubochet, người vào đầu những năm 1980 đang làm việc ở Phòng thí nghiệm sinh học phân tử châu Âu, Heidelberg, Đức.

Lúc đó, các nhà khoa học đã thử nghiệm đông đá các protein ở nhiệt độ thấp vì nước đá thì bay hơi chậm hơn nước lỏng. Nhưng thật không may, hình ảnh thu được của các protein đông đá lại mờ nhòe, vì các tinh thể nước đá đã làm nhiễu loạn chùm tia điện tử chiếu qua chúng.

Trước khó khăn đó, Dubochet cho rằng nếu làm đông cứng các phân tử protein thật nhanh, để nước trong các protein này không kịp kết tinh mà chuyển sang đông cứng ở dạng vô định hình thì vấn đề sẽ được khắc phục.

Nói cách khác, nếu tìm ra cách để nước trong các phân tử protein hóa đá trong tích tắc, không kịp sắp xếp thành tinh thể thì ta sẽ giữ được nguyên dạng của chúng. Những chất vô định hình không gây nhiễu xạ, giống như nước lỏng thì trong suốt nhưng nước đá thì không.

Quả nhiên như thế, khi nước trong protein được “cấp đông siêu cấp” dù tồn tại ở thể rắn, cấu trúc của nó không khác gì nước ở thể lỏng. Đến đây, vấn đề nước trong protein bốc hơi ở môi trường chân không cực cao làm chúng biến dạng được giải quyết.

Hình ảnh mà Dubochet thu được trở nên rõ ràng hơn rất nhiều. Năm 1984 sau nhiều cải tiến, đặc biệt là những cải tiến làm tăng độ tương phản giữa mẫu và nền, Dubochet đã thu được và công bố những hình ảnh sắc nét về nhiều loại virút khác nhau.

Việc này đã thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học. Các nhà nghiên cứu ở khắp nơi đã đến phòng thí nghiệm của ông để học hỏi kỹ thuật tạo mẫu này. Nhờ đó, việc sử dụng EM để nghiên cứu các sinh phẩm trở nên phổ biến. Cryo-EM trở thành thiết bị nghiên cứu quan trọng của ngành hóa sinh và sinh học phân tử.

Chân trời rộng mở

Ngày nay, sau nhiều cải tiến, độ phân giải của cryo-EM đã tăng lên rất nhiều đến cấp độ nguyên tử, đặc biệt là trong vài năm trở lại đây khi thế hệ detector mới ra đời. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể sử dụng cryo-TEM để khám phá mọi ngõ ngách của tế bào tương đối dễ dàng.

Giấc mơ quan sát mọi thứ diễn ra bên trong tế bào đã trở thành hiện thực. Cả một chân trời mới của ngành sinh hóa đã được mở ra. Các nhà khoa học ngày nay không chỉ có khả năng quan sát các protein, mà còn cả hoạt động và tương tác của chúng với các phân tử khác, từ đó dựng thành một bộ phim về sự sống bên trong tế bào.

Các protein ở màng tế bào cũng sẽ được nghiên cứu dễ dàng hơn. Các protein ở màng này là đối tượng tác động của các loại dược phẩm mới.

Nhờ đó, quá trình tìm ra các loại thuốc mới để chống lại bệnh tật hoặc các loại virút mới xuất hiện, như virút Zika, trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn so với trước rất nhiều. Nhờ cryo-EM và ba nhà khoa học được trao giải Nobel năm nay, giờ chúng ta không còn phải đứng ngoài ngôi nhà bí mật của sự sống để đoán mò những gì đang diễn ra bên trong nữa.

Cánh cửa ngôi nhà đó đã mở, và cùng với đó là cánh cửa vô tận để khám phá thành phần cơ bản nhất của sự sống: tế bào.■