Các nhà nghiên cứu tại trường đại học California, Los Angeles, tường thuật trên số ra ngày 30/4 của tập chí Cell rằng họ đã chụp ảnh được một cấu trúc virus ở độ phân giải đủ cao để “nhìn thấy” các nguyên tử một cách rạch ròi. Đây là lần đầu tiên những phức hợp sinh vật được chụp ở độ phân giải như thế.
Ảnh minh họa aquareovirus tái dựng qua kĩ thuật Cryo-EM.
Đội nghiên cứu, đứng đầu là Hong Zhou, giáo sư sinh vật học, miễn dịch học và di truyền học phức tạp tại trường UCLA, đã sử dụng một kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp để chụp ảnh cấu trúc trên ở kích thước 3,3 angstrom. Một angstrom là phần chia nhỏ nhất được ghi nhận của một nguyên tố hóa học và khoảng chừng bằng khoảng cách giữa hai nguyên tử hydrogen trong một phân tử nước.
Theo các nhà nghiên cứu cho biết, nghiên cứu trên chứng tỏ tiềm năng to lớn của kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp, hay Cryo-EM, trong việc tạo dựng những hình ảnh phân giải cực cao của các mẫu sinh vật trong môi trường tự nhiên của chúng.
“Đây là nghiên cứu đầu tiên xác định một cấu trúc ở độ phân giải nguyên tử độc nhất qua kĩ thuật Cryo-EM”, phát biểu của Xing Zhang, một ứng cử viên nghiên cứu hậu tiến sĩ trong nhóm của Zhou và là tác giả đầu nhóm của bài báo Cell. “Bằng việc chứng minh tính hiệu quả của kĩ thuật hiển vi này, chúng tôi đã mở rộng cửa sang những nghiên cứu sinh học khác hết sức đa dạng”.
Với kính hiển vi ánh sáng truyền thống, ảnh phóng đại của một mẫu vật được quan sát qua một thấu kính. Tuy nhiên, một số mẫu vật lại quá nhỏ để làm nhiễu xạ ánh sáng nhìn thấy (trong ngưỡng 500 đến 800 nm, hay 5000 đến 8000 angstrom) và, do đó, không thể nào nhìn thấy được. Để chụp ảnh những vật dưới kích cỡ 500 nm, các nhà khoa học phải chuyển sang dùng những công cụ khác, thí dụ như kính hiển vi lực nguyên tử, chúng sử dụng một đầu nhọn mỏng cở chừng nguyên tử để tạo ra bằng cách dò quét trên một bề mặt, theo kiểu giống hệt như một người mù đọc bằng cách sờ các kí hiệu Braille.
Với kính hiển vi điện tử, một công nghệ khác dưới 500 nm, một chùm electron được bắn vào mẫu vật, đi xuyên qua những khu vực trống rỗng và bị dội ra khỏi những khu vực dày đặc. Một camera số hóa đọc lấy đường đi của các electron xuyên qua mẫu để tạo nên một hình chiếu hai chiều của mẫu vật. Bằng cách lặp lại quá trình này ở hàng trăm góc khác nhau, một máy vi tính có thể dựng lên một ảnh ba chiều của mẫu vật ở độ phân giải rất cao.
Zhou là trưởng khoa tại Trung tâm Ảnh Điện tử cho Máy Nano (EICN) tại Viện Các hệ nano California thuộc trường UCLA, nơi đang sử dụng kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp để tạo ảnh tái dựng 3D của các máy nano, dụng cụ nano và những cấu trúc nano sinh học, thí dụ như virus.
Ảnh tái dựng 3D chính xác về mặt cấu trúc của các phức hợp sinh học có thể tạo với kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp vì các mẫu bị đông lạnh nhanh, cho phép chúng được chụp ảnh trong môi trường tự nhiên của chúng, và kính hiển vi trên hoạt động trong chân không, vì các electron chuyển động tốt hơn trong môi trường đó. Bài báo Cell tập trung vào một nghiên cứu cấu trúc của các aquareovirus, một loại virus không có lớp màng bao gây bệnh ở cá và giáp xác, trong một nỗ lực nhằm tìm hiểu kĩ hơn về cách thức các virus không có lớp bao lây nhiễm đối với những tế bào chủ.
“Chúng tôi hết sức hứng thú trước đột phá mới đây do Hong Zhou và đội của ông thu được ở phòng thí nghiệm EICN”, phát biểu của Leonard H. Rome, phó chủ nhiệm khoa nghiên cứu tại Khoa Y David Geffen tại UCLA và là phó giám đốc Viện Các hệ nano California. “Khả năng tìm hiểu cấu trúc của các virus ở cấp độ nguyên tử sẽ mở ra những lộ trình mới cho việc thao tác trên chúng để dùng trong việc phân phối thuốc và thúc đẩy vô số cách tân trong việc điều trị các bệnh tật. UCLA thật may mắn có được thiết bị đo đạc chuyên dụng như vậy và sự thành thạo chuyên môn của giáo sư Zhou và đội của ông để khai thác ưu điểm của những chiếc kính hiển vi tuyệt vời này”.
Các virus có thể chia làm hai loại: có màng bao và không có màng bao. Các virus có màng bao, như virus cúm và HIV, được bao quanh bởi một cái màng kiểu vỏ mà virus sử dụng để hợp nhất và lây nhiễm cho một tế bào chủ. Các virus không có màng bao thiếu lớp màng này và thay vào đó, chúng sử dụng một protein để hợp nhất và lây nhiễm các tế bào chủ. Quá trình này không được hiểu rõ lắm trước khi có nghiên cứu của Zhou.
“Thông qua kiến thức sâu sắc hơn về cấu trúc của virus, chúng tôi hi vọng thao tác trên các dược phẩm theo ba cách”, Zhou nói. “Nếu chúng ta hiểu được các virus hoạt động như thế nào, thì trước hết chúng ta có thể nhận ra những phân tử nhỏ hay thuốc uống chặn lấy sự lây nhiễm của chúng; thứ hai, chúng ta có thể tạo ra các hạt cực bền và không bị lây nhiễm như các văn-xin chọn lọc; và thứ ba, chúng ta có thể làm thay đổi các đặc điểm của chúng sao cho thay vì phân phát mầm bệnh, các virus có thể phân phát dược phẩm bên trong cơ thể.
“Thật vậy, chúng tôi đang làm việc với các bác sĩ và kĩ sư UCLA để tạo ra các virus dùng cho liệu pháp gen và phân phát thuốc”, ông nói. “Tóm lại, chúng tôi hi vọng khai thác ưu điểm của hàng triệu năm tiến hóa đã biến các virus thành những nền tảng phân phát hiệu quả đến mức khó tin”.
Từ những hình ảnh 3D phân giải cao tạo ra với kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp, nhóm của Zhou đã có thể xác định rằng các aquareovirus sử dụng một giai đoạn mồi nước để hoàn thành sự lây nhiễm tế bào. Trong trường hợp ủ mầm của nó, virus trên có một protein bảo vệ phủ bên ngoài, lớp vỏ bọc này sẽ rụng khi mồi nước. Một khi lớp vỏ bên ngoài không còn nữa, virus trên ở trong trạng thái mồi nước và sẵn sàng sử dụng một protein gọi là “móng tay cài” để lây nhiễm một tế bào.
Nghiên cứu của đội đưa đến một kỉ nguyên mới của sinh học cấu trúc trong việc tìm hiểu những quá trình sinh học quan trọng. Nhóm nghiên cứu đã có thể phát hiện ra sự thực hiện chức năng này do mô hình cấu trúc chính xác mà kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp mang lại. Ngoài việc tạo ra một ảnh 3D phân giải cao của các mẫu vật, công nghệ trên còn cho phép các mẫu được chụp ảnh trong môi trường tự nhiên của chúng, cho nên mô hình cấu trúc trên là trung thực đối với nguyên mẫu. Từ quan điểm kĩ thuật, công trình này còn chứng tỏ sức mạnh của kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp trong việc thu những cấu trúc 3D của các phức hợp sinh học mà không cần nuôi cấy tinh thể.
Theo PhysOrg.com
