Các nhà vật lí tạo ra thành công laser sinh vật sống

Ảnh chụp hiển vi của một tế bào sinh vật (thể hiện đen trắng) đã được lập trình gen để tạo ra protein phát huỳnh quang màu lục (GFP). Khi đặt bên trong một hộp cộng hưởng quang, tế bào này có thể tạo ra ánh sáng laser màu lục. Do cấu trúc bên trong không đồng đều của tế bào, nên đốm sáng laser có diện mạo khá ngẫu nhiên. (Ảnh: Malte Gather)

Cho đến nay, các laser được người ta chế tạo từ những chất liệu vô tri vô giác, thí dụ như chất khí tinh khiết, chất nhuộm tổng hợp hoặc chất bán dẫn. Nhưng nay các nhà vật lí ở Mĩ vừa chỉ rõ cách thức gây ra sự phát laser ở một tế bào sinh vật sống. Bằng cách chiếu ánh sáng màu lam cường độ mạnh lên trên các phân tử protein huỳnh quang trong một tế bào, đội khoa học đã làm cho những phân tử đó phát ra ánh sáng màu lục cường độ mạnh, đơn sắc và có tính định hướng. Hiện tượng này có khả năng dùng để phân biệt những tế bào ung thư với những tế bào khỏe mạnh, các nhà nghiên cứu khẳng định như thế.

Chất liệu dùng trong nghiên cứu mới trên là protein huỳnh quang lục (GFP), chất tìm thấy ở loài sứa Aequorea victoria và đã được sử dụng để chụp ảnh những tế bào sống kể từ thập niên 1960. Bằng cách kết hợp gen mã hóa GFP với ADN của bất kì protein nào khác, GFP có thể gắn với protein đó. Ánh sáng do nó phát ra khi đó có thể dùng để theo dõi protein bên trong những tế bào sống.

Sự huỳnh quang tự nhiên của GFP là phi kết hợp, giống hệt như ánh sáng phát ra bởi bóng đèn điện bình thường. Nhưng các nhà vật lí Malte Gather và Seok Hyun Yun, tại Bệnh viên Đa khoa Massachusetts và Trường Y Harvard ở Boston, cho rằng có thể khuếch đại ánh sáng của protein đó và vì thế tạo ra một laser sinh học. Một viễn cảnh khá trêu ngươi là hầu như mọi sinh vật, từ con vi khuẩn cho đến con bò, có thể được lập trình để tổng hợp GFP.

Nằm giữa hai gương

Gather và Yun đã đưa những tế bào phôi người vào trong một đĩa Petri và sau đó thêm ADN mã hóa GFP vào các tế bào. Sau đó, họ gắn một giọt dung dịch chứa những tế bào đã lập trình lại này lên trên một cái gương có đường kính khoảng chừng 3 cm. Họ đặt một cái gương khác, kích thước bằng như thế, lên trên dung dịch, để lại một cái khe chừng 200 μm giữa hai cái gương. Sau đó, họ tập trung những xung laser màu lam kéo dài nano giây lên trên không gian giữa hai gương và di chuyển hai gương qua lại, với sự hỗ trợ của kính hiển vi, cho đến khi họ có thể dịch chuyển một tế bào vào trong tiêu điểm của chùm tia.

Với tế bào tại chỗ, các nhà nghiên cứu từ từ tăng công suất của laser màu lam và quan sát sự huỳnh quang lục biến đổi như thế nào. Ở trên một ngưỡng nhất định – khi xung laser lam có năng lượng khoảng 1 nJ – năng lượng của ánh sáng lục phát ra tăng thấy rõ và phổ của nó thu hẹp đến mức chỉ quan sát được vài cực đại rõ ràng. Theo các nhà nghiên cứu, đây là dấu hiệu rõ ràng của sự phát laser vì ở trên ngưỡng này có đủ phân tử protein ở trạng thái kích thích để phát xạ cảm ứng chứ không phát xạ tự phát nữa. Ánh sáng lục phát ra được khuếch đại khi nó phản xạ tới lui giữa hai gương, giống như trong hộp cộng hưởng laser thông thường.

Gather cho biết, với sự hiểu biết của ông, thì đây là lần đầu tiên một laser được tạo ra từ một chất liệu sống. Ông nhắc lại rằng các nhà khoa học trước đây đã trộn lẫn mô chết với các chất liệu laser vô cơ và đã nhìn thấy sự phát xạ kết hợp từ hỗn hợp đó. Nhưng chất liệu mới này có cấu tạo hoàn toàn từ mô sống, và mô này vẫn sống thậm chí sau khi phát xạ hàng trăm xung laser.

Tìm kiếm tế bào ung thư

Gather tin rằng nghiên cứu mới trên cuối cùng có thể có những ứng dụng thực tiễn quan trọng. Những loại máy thông thường, gọi là tế bào kế, phân tích số lượng lớn tế bào thường chỉ cung cấp một thông số đối với từng tế bào – đó là độ sáng. Nghiên cứu tế bào dưới kính hiển vi có thể biết được nhiều thứ hơn, nhưng sự phơi sáng kéo dài khiến đây là quá trình tốn thời gian. Ở laser-tế bào GFP, các dao động trong cấu trúc nội bào, cái gây ra sự thay đổi nhỏ đối với chiết suất khúc xạ của tế bào, làm thay đổi cả công suất không gian của ánh sáng laser và quang phổ của nó. Gather cho biết thông tin bổ sung này “có thể giúp dễ phân biệt hơn giữa một tế bào ung thư và một tế bào lành tính, hoặc một tế bào đã bị nhiễm virus”.

Bước tiếp theo, theo Gather, là thu nhỏ hộp cộng hưởng gương sao cho nó đủ nhỏ để lắp vừa bên trong một tế bào, đường kính tiêu biểu của nó là từ 10 đến 20 μm. Khi đó, điều này có thể cho phép chụp ảnh laser-tế bào bên trong một con vật sống, thay vì phải trích xuất tế bào để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Trong trường hợp này, laser bơm có thể cung cấp từ bên ngoài bằng cách chiếu nó qua cơ thể con vật hoặc bằng cách tiêm ánh sáng vào sợi quang chèn vào trong cơ thể.

Tuy nhiên, Gather nhấn mạnh rằng thật khó dự đoán chính xác những ứng dụng gì có thể triển khai được và ông cho biết thêm rằng động cơ đối với thí nghiệm trên là “sự hiếu kì khoa học cơ bản lớn”. Các nhà khoa học đang cố gắng đi tìm câu trả lời cho câu hỏi cơ bản là tại sao laser không tồn tại trong tự nhiên? “Một số nhà thiên văn khẳng định có những đám sao tạo ra ánh sáng kết hợp”, Gather nói, “nhưng như tôi biết cho đến nay thì chẳng có cái gì trên Trái đất làm được như thế”.

Viết trong một bài bình luận đi cùng với bài báo trên, Steve Meech, một nhà hóa học tại trường Đại học East Anglia, Anh quốc, cho biết “hiện nay không rõ những ứng dụng gì có thể triển khai với các laser tế bào”. Nhưng ông bổ sung thêm rằng “cho dù ứng dụng cuối cùng là gì đi nữa, thì sự có xuất hiện của GFP trong ngành quang lượng tử học nhất định đánh dấu một lộ trình nghiên cứu mới thú vị đối với loại protein cực kì linh hoạt này”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp