VINACHEM

Ngày 4/10/2017, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển đã trao tặng Giải Nobel Hóa học 2017 cho 3 nhà hóa học có công phát minh và phát triển kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh - công cụ cho phép con người thu được những hình ảnh chưa từng thấy trước đó về các phân tử sinh học quan trọng.

Ba nhà hóa học được vinh danh là Jacques Dubochet (ĐHTH Lausanne, Thụy Sĩ), Joachim Frank (ĐHTH Côlômbia, Mỹ) và Richard Henderson (Phòng thí nghiệm sinh học phân tử tại Cambridge, Anh). Theo Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển, họ đã phát triển phương pháp xác định cấu trúc và tạo lập hình ảnh 3 chiều của các phân tử sinh học trong dung dịch với độ nét cao, đây là thành tựu mang tính cách mạng trong ngành hóa sinh.

Trong kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh, tia điện tử được chiếu vào mẫu phân tử sinh học đã làm đông lạnh (thường là bằng etan lỏng). Khi bị chiếu tia điện tử, vật liệu sinh học làm chệch hướng các tia này và qua đó cho phép các nhà nghiên cứu xác định cấu trúc của phân tử sinh học. Trong điều kiện bình thường, tia điện tử sẽ phá vỡ các phân tử sinh học, nhưng việc đông lạnh những phân tử này nhờ bộ phận đông lạnh của kính hiển vi sẽ bảo vệ chúng trước các hư hại và ngăn không cho chúng bị mất nước trong buồng chân không của kính hiển vi.

Những hình ảnh về cấu trúc phân tử, thu được bằng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh và các kỹ thuật liên quan, có tầm quan trọng cơ bản đối với việc hiểu biết bản chất hóa học của cuộc sống, chúng giúp các nhà khoa học phát triển những loại thuốc mới bằng cách làm sáng tỏ phương thức tương tác giữa các tác nhân có hoạt tính sinh học với các phân tử sinh học.

Theo Hội Hóa học Mỹ, giải Nobel hóa học năm nay đã nhấn mạnh vai trò của hóa học trong mọi khía cạnh của cuộc sống chúng ta. Mọi sinh vật trên thế giới, từ con người, cây cỏ, động vật cho đến vi khuẩn, đều được cấu thành từ những phân tử sinh học như protein, vì vậy việc hiểu những phân tử sinh học này và các quá trình hóa học của chúng là điều rất quan trọng.

Trước đây, các nhà khoa học thường sử dụng phương pháp tinh thể học tia X và quang phổ học cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để thu được hình ảnh về cấu trúc của các phân tử sinh học. Nhưng với những tiến bộ trong thời gian qua, kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học nghiên cứu những cấu trúc phân tử mà phương pháp tinh thể học tia X và quang phổ học NMR không thể làm được. Ví dụ, kỹ thuật mới không đòi hỏi phải kết tinh các phân tử sinh học như khi áp dụng phương pháp tinh thể học tia X - đây là vấn đề đặc biệt khó khăn trong một số trường hợp.

Kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh cũng cho phép hiển thị những cấu trúc lớn hơn những cấu trúc mà phương pháp NMR hoặc tinh thể học có thể hiển thị. Theo một chuyên gia tại ĐHTH Helsinki (Phần Lan), kính hiển vi này có thể phân tích những cấu trúc lớn gấp 100 lần so với các phương pháp cũ, ví dụ toàn bộ virut hoặc thậm chí cả các tế bào đông lạnh. Việc đó khiến cho nó có thể được điều chỉnh dễ hơn nhiều so với phương pháp NMR hoặc phương pháp tinh thể học tia X để khảo sát vô số những vấn đề sinh học mới.

Nhà hóa học Richard Henderson là người đã đặt nền móng cho kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh vào năm 1975, khi ông sử dụng kính hiển vi điện tử để xác định mô hình 3 chiều của rodopsin (một loại protein màng) trong vi khuẩn bằng cách tính toán mức trung bình của nhiều hình ảnh thu được nhờ các tia điện tử yếu. Nghiên cứu của ông cho thấy, kính hiển vi điện tử có thể thu được những hình ảnh cũng chi tiết như phương pháp tinh thể học - phương pháp thu được hình ảnh độ nét cao vào thời gian đó.

Trong thập niên tiếp theo, nhà hóa học Joachim Frank (khi đó làm việc tại Trung tâm Y tế Wadsworrth, New York, Mỹ) đã phát triển công nghệ xử lý hình ảnh để chuyển đổi các hình ảnh 2 chiều của kính hiển vi điện tử thông thường thành các cấu trúc 3 chiều. Nhà hóa học Henderson cũng đã tham gia hỗ trợ phát triển kỹ thuật xử lý hình ảnh.

Đầu thập niên 1980, nhà hóa học Jacques Dubochet đã sáng chế phương pháp làm đông lạnh nhanh các mẫu phân tử sinh học để bảo vệ chúng trước các tia điện tử và ngăn không cho chúng bị mất nước, trong khi đó vẫn duy trì hình dạng phân tử ban đầu.

Năm 1990, nhà hóa học Henderson đã thu được những hình ảnh đầu tiên về cấu trúc của rodopsin vi khuẩn với độ nét cỡ nguyên tử. Rodopsin có cấu trúc rất ngăn nắp nên cho phép đạt được hình ảnh độ nét cao dễ hơn so với nhiều phân tử sinh học khác.

Trong thập niên vừa qua, những tiến bộ trong kỹ thuật phát hiện tia điện tử, đặc biệt là việc phát triển các máy dò điện tử trực tiếp, đã giúp cải thiện rất nhiều độ nét của kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh. Những năm gần đây, sự ra đời của những thiết bị dò điện tử như vậy (nay đã được bán ra thị trường) cùng với những cải thiện trong kỹ thuật xử lý dữ liệu đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn về chất lượng các dữ liệu thu được thông qua kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh.

TN

Theo Chemical & Engineering News, 10/2017