Công Nghệ

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


Nếu có một bộ phim có thể khiến Wanda Kukulski, một nhà hóa sinh tại Đại học Bern, Thụy Sĩ phát điên, thì đó là một bộ phim tài liệu về cuộc sống bên trong tế bào. Chúng ta thường nói tế bào là viên gạch của sự sống, bên trong đó, hoạt động của tế bào giống như từng hơi thở nhỏ của sinh vật.

Tôi đã bị choáng ngợp bởi vẻ đẹp và sự phức tạp của chúng đến nỗi mỗi tối tôi sẽ phát những đoạn phim này và xem chúng như một bộ phim tài liệu.“, Kukulski nói.

Có gì bên trong một phòng giam?

Để tái hiện những thước phim chân thực về cuộc sống bên trong phòng giam thực không hề đơn giản. Chúng ta biết kích thước trung bình của một tế bào là 10-100 micromet, các bào quan bên trong cũng nhỏ hơn hàng chục đến hàng trăm lần.

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

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

Ngày nay, các nhà khoa học đang sử dụng các công nghệ kính hiển vi cực kỳ tinh vi để làm được điều đó. Điển hình là hai công nghệ cryo-EM và cryo-ET. Một trong hai kỹ thuật hình ảnh này đã đạt được độ phân giải nguyên tử, tức là 0,1 nanomet, nơi ngay cả các protein cũng trở nên lớn và tế bào cũng trở nên khổng lồ.

Grant Jensen, một nhà sinh vật học cấu trúc tại Viện Công nghệ California, cho biết mỗi lần quan sát tế bào qua những kính hiển vi này, anh ta có cơ hội khám phá các địa hình khác nhau của tế bào, nơi đặt chân. đến những thế giới không xác định.

Chắc chắn, đó là một niềm vui lớn khi bạn nhìn thấy thứ gì đó lần đầu tiênElizabeth Villa, nhà vật lý sinh học tại Đại học California, nhớ lại sự phấn khích của mình khi lần đầu tiên nhìn thấy cấu trúc tế bào trong kính hiển vi cryo-ET.

Có cảm giác như đột nhiên tất cả chúng ta đều là những tay săn ảnh có quyền truy cập vào những nơi mà chúng ta chưa từng đến trước đây.”Villa nói.

Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 2.

A cryo-EM. kính hiển vi điện tử

Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 3.

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

Đầu tiên là ổn định các phân tử sinh học để chúng tạo thành các tinh thể tĩnh, có trật tự. Bước thứ hai là bắn phá các mẫu này bằng một chùm tia X cường độ cao, từ đó thu lại các tín hiệu tán xạ, phản xạ hoặc khúc xạ, xuyên qua tia X và tái tạo lại hình ảnh của các phân tử sinh học. ở đó.

Phương pháp tinh thể học tia X đã cho phép con người xem xét DNA và phát hiện ra rằng chúng là những chuỗi có một chuỗi xoắn kép. Sau đó, nó tiếp tục mở đường cho chúng ta khám phá cấu trúc của hơn 100.000 loại protein khác nhau. Tuy nhiên, kỹ thuật này đi đến một giới hạn cùng với những hạn chế. Việc ổn định các phân tử sinh học là một công việc rất khó, không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được.

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

Trong cryo-EM, các mẫu sinh học được tắm trong chùm tia điện tử có thể tạo ra hình ảnh với độ phân giải 1,2 ngströms (1,2 × 10 ^ –10m), tương đương với việc chụp từng nguyên tử riêng lẻ trong mỗi tế bào.

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

Trong đại dịch COVID-19, kính hiển vi điện tử lạnh cho phép các nhà khoa học hình ảnh virus SARS-CoV-2 với độ phân giải cao nhất, nhìn rõ từng vùng trong protein đột biến của virus. được gọi là miền liên kết thụ thể (RBD).

Vùng liên kết này là thứ mà vi rút SARS-CoV-2 sử dụng để gắn vào thụ thể ACE-2 của tế bào người, do đó gây bệnh cho chúng ta. Nó được ví như nanh của một con rắn độc, và với sự quan sát của RBD, các nhà khoa học đã làm sáng tỏ bản chất lây nhiễm của COVID-19.

Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 4.
Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 5.
Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 6.

Đầu của virus SARS-CoV-2 tăng đột biến (màu vàng) trong khi liên kết với thụ thể ACE-2 của người (màu xanh lam) được chụp ảnh ở độ phân giải 2,9 angstrom (0,29 nm) – asymptote cấp nguyên tử.

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

Giống như cryo-EM, hình ảnh cryo-ET với chùm điện tử 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 tinh thể ở trạng thái giống nước thay vì tinh thể băng.

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

Một so sánh thú vị là cryo-EM giống như bạn đang chụp ảnh thẻ 4×6 cho một phân tử sinh học. Bạn phải chuẩn bị, chải chuốt nó, đặt nó vào đúng vị trí cân đối và chỉ chụp một góc.

Đối với cryo-ET, nó giống như chụp ảnh ngẫu hứng, bạn có thể chụp ảnh phân tử trong mọi khoảnh khắc của cuộc sống hàng ngày của nó, từ đó cho phép các nhà khoa học nhìn thấy cuộc 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 các phân tử sinh học bằng cách lấy hình ảnh 2D riêng lẻ của nhiều phân tử bị cô lập ở các cấu hình khác nhau và sau đó kết hợp các kết quả. trái cây trở lại. Ngược lại, với cryo-ET, chúng ta có thể chụp nhiều hình ảnh cùng một lúc của một mảnh vật liệu, chứa đầy các phân tử từ nhiều góc độ khác nhau, cho phép môi trường xung quanh vẫn còn nguyên vẹn.

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 “xã hội học của phân tử“Đó là cách chân thực nhất để chụp ảnh các protein sống.

Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 7.
Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 8.
Công nghệ kính hiển vi này đã cho phép chúng ta nhìn thấy từng nguyên tử trong tế bào - Ảnh 9.

Hình ảnh tế bào và bên trong tế bào được chụp bằng kính hiển vi siêu phân giải và cryo-ET.

Villa cho biết:Protein có tính xã hội – tại bất kỳ thời điểm nào, một loại protein sẽ có mặt trong một phức hợp với khoảng 10 loại protein khác. Sau khi quan sát những tương tác này dưới lăng kính cryo-ET, tôi không thể nghĩ rằng mình có thể nghiên cứu riêng lẻ một loại protein.“.

Điểm yếu của kính hiển vi điện tử truyền lạnh hiện nay là chưa đạt đến độ phân giải cao của cryo-EM. Tuy nhiên, Baumeister cho rằng trong giai đoạn đầu phát triển, cryo-EM cũng có độ phân giải không tốt, sau đó được cải thiện dần.

Vì vậy, ông cho rằng sẽ 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 ở độ phân giải nguyên tử. Cho đến nay, 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 của sự sống.

Như Villa đã nói: “Điều tôi yêu thích nhất ở những chiếc kính hiển vi này là với chúng, những nhà khoa học như chúng tôi luôn có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời. “.

Thanh Long

Pháp luật và bạn đọc

.



Source link

Tin Tức 7S

Tin tức 7s: Cập nhật tin nóng online Việt Nam và thế giới mới nhất trong ngày, tin nhanh thời sự, chính trị, xã hội hôm nay, tin tức chính thống VN.Cập nhật tin tức 24/7: Giải trí, Thể thao...tại Việt Nam & Thế giới hàng ngày. Thông tin, hình ảnh, video clip HOT cập nhật nhanh & tin cậy nhất.

Related Articles

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button