Kính hiển vi là một phát minh về sự phóng đại tốt nhất từ trước đến nay, cho phép các nhà khoa học quan sát ngày càng sâu hơn vào những chi tiết nhỏ nhất của tự nhiên mà mắt thường không thể nhìn thấy.

Phát triển mới nhất của công cụ mạnh mẽ này  là kính hiển vi điện tử lạnh và các đặc tính đột phá của nó đang cách mạng hóa cách các nhà khoa học chụp ảnh cấu trúc nhỏ nhất — đặc biệt là trong khoa học đời sống.

Kính hiển vi điện tử lạnh, hay Cryo-EM, cho phép các nhà khoa học chụp ảnh các cấu trúc nhỏ như virus và ribosome — một phần của tế bào nơi tổng hợp protein. Quan trọng hơn, thiết bị này chụp ảnh được mà không cần tinh thể hóa — bước không thể thiếu khi sử dụng phương pháp tinh thể học tia X, cho đến gần đây vẫn là công nghệ được ưa chuộng khi chụp ảnh các cấu trúc vi mô.

“Chúng tôi gọi đó là một cuộc cách mạng về độ phân giải,” Seungil Han, Phó Nghiên cứu viên tại địa điểm Pfizer's Groton, Connecticut, hiện đang sử dụng kính hiển vi Titan Krios đầy đủ duy nhất trên thế giới ngoại trừ các viện nghiên cứu. Thiết bị được bắt đầu hoạt động vào tháng 10 năm 2016.

“Yêu cầu của tinh thể học tia X là bạn cần thu được một tinh thể nhiễu xạ để có được độ phân giải nguyên tử. Đó là một trở ngại lớn nếu bạn đang nghiên cứu các protein phức tạp,” Han đề cập đến một số protein bất thường có thể cực kỳ khó kết tinh. “Hầu hết mọi mục tiêu mà chúng tôi đang thực hiện hiện nay đều rất khó khăn.”

Với Cryo-EM, bạn không cần mẫu ở dạng tinh thể mà vẫn có thể đạt được độ phân giải khoảng 3 angstrom — ba phần mười nanomet. Ví dụ, một nguyên tử clo có bán kính khoảng 1 angstrom.

Tại sao các chùm tia điện tử được sử dụng thay vì ánh sáng để nhìn thấy những thứ thực sự nhỏ bé

Giới hạn lý thuyết về độ phân giải của kính hiển vi quang học là theo thứ tự bước sóng của ánh sáng được sử dụng. Vì ánh sáng khả kiến có bước sóng trong khoảng 4.000 đến 7.000 angstrom, kính hiển vi quang học — ngay cả trong điều kiện lý tưởng — không thể phát hiện các cấu trúc nhỏ hơn thế nhiều.

Tuy nhiên, khi bạn sử dụng một chùm electron làm nguồn “ánh sáng” — như được thực hiện với kính hiển vi điện tử truyền qua — bạn có thể đạt được độ phân giải theo thứ tự 1 angstrom.

Đưa Cryo vào kính hiển vi điện tử

Bắn một chùm electron năng lượng cao vào một mẫu là tốt nếu đó là một vật thể trơ, nhưng khi mục tiêu là sinh học, chẳng hạn như một loại protein dễ vỡ, thì đó là điều không thể.

Han giải thích: “Nếu bạn bắn một lượng lớn electron, bạn sẽ đốt cháy một mẫu sinh học rất nhiều,” Han giải thích, lưu ý rằng đó là một lý do tại sao mục tiêu bị đóng băng ở nhiệt độ nitơ lỏng. Đó là nơi cryo-EM có phần "cryo" trong tên của nó.

Cryo-EM tại Groton của Pfizer là một thiết bị khổng lồ có kích thước bằng một chiếc xe tải lớn đặt trong một căn phòng tối, được kiểm soát nhiệt độ. Sau khi mẫu được nạp vào kính hiển vi, máy có thể hoạt động tự động trong vài ngày, tạo ra các tệp hình ảnh có kích thước từ 2 đến 3 terabyte — tương đương với hàng nghìn bộ phim độ phân giải cao.

Để xử lý lượng dữ liệu hình ảnh khổng lồ đó, Han và nhóm của anh ấy sử dụng một máy tính có bộ xử lý đồ họa mạnh mẽ được phát triển trong lĩnh vực kinh doanh trò chơi điện tử.

“Nếu khả năng xử lý của bạn quá chậm, bạn không thể theo kịp dữ liệu,” Han nói, đồng thời lưu ý rằng những tiến bộ về phần cứng và lập trình máy tính là không thể thiếu trong việc làm cho Cryo-EM trở nên khả thi cũng như chính máy dò.

"Và bởi vì Cryo-EM có thể tạo ra hình ảnh 3-D, hoặc thậm chí là “phim”, nên hình ảnh Cryo-EM có cùng độ phân giải tốt hơn với hình ảnh tinh thể học tia X", Han, một chuyên gia hóa sinh về lĩnh vực tinh thể học tia X cho biết.

“Chúng tôi đã nhận được một số cấu trúc nguyên tử kể từ buổi khai trương và chúng tôi rất hào hứng với nó,” Han nói.

Nếu có một rào cản đối với sự phát triển của Cryo-EM, thì đó không phải là công nghệ, mà là khó khăn trong việc tuyển dụng các nhà nghiên cứu được đào tạo trong lĩnh vực này, Han nói. “Đó là một lĩnh vực mới hấp dẫn.”

Hình ảnh Cryo-EM có thể giúp các nhà khoa học như thế nào?

Các hình ảnh cho thấy cấu trúc của protein. Nhưng làm thế nào điều đó giúp các nhà khoa học, chẳng hạn, tạo ra những loại thuốc tốt hơn?

Trong trường hợp của ribosome - nhà máy sản xuất protein của tế bào - một hình ảnh có độ phân giải cao có thể đưa dự đoán thiết kế thuốc, Han nói. “Chúng tôi có thể tìm thấy vị trí liên kết hợp chất, xem cách nó tương tác và cải thiện hiệu lực.”

Cryo-EM cũng có thể giúp các nhà khoa học tạo ra vắc-xin tốt hơn, chẳng hạn như vắc-xin RSV, được tiêm cho phụ nữ để bảo vệ con của họ khỏi vi-rút hợp bào hô hấp (RSV), Han nói khi anh chỉ vào một tấm áp phích hình tam giác được chụp thành công trong phòng thí nghiệm của mình gần đây.

“Chúng tôi thực sự quan tâm đến việc tạo ra nghiên cứu thuốc bằng cách sử dụng công nghệ này,” Han nói.

Nguồn: Prizer website   https://www.pfizer.com/news/articles/cryo_electron_microscope_opens_resolution_revolution_for_biological_imaging