Sự sống bắt đầu từ những tế bào nhỏ bé. Những cấu trúc bé nhỏ tưởng chừng đơn giản này lại che đậy rất nhiều thú vị về hoạt động phân tử phức tạp bên trong, cho phép chúng duy trì chức năng của sự sống. Các nhà nghiên cứu đang bắt đầu có thể hình dung được hoạt động ở mức độ chi tiết mà trước nay họ chưa thể làm được.

Các cấu trúc sinh học có thể được quan sát bắt đầu từ mức độ toàn bộ sinh vật trở xuống (tức là từ phức tạp đến đơn giản) hoặc từ mức độ phân tử trở lên (từ đơn giản đến phức tạp). Tuy nhiên, vẫn có 1 khoảng cách về độ phân giải của các cấu trúc nhỏ nhất bên trong tế bào như khung xương (cytoskeleton) hỗ trợ định hình tế bào và các cấu trúc lớn nhất của nó như các ribosome tạo ra các proteins bên trong tế bào.

Cũng tương tự như Google Maps, trong khi các nhà khoa học có thể thấy được toàn bộ các thành phố và những căn nhà đơn lẻ, họ lại không có công cụ nào để có thể thấy được cách các ngôi nhà này kết hợp với nhau để tạo nên khu dân cư (neighborhoods). Cách xem xét chi tiết ở cấp độ lân cận (neighborhood-level details) này là điều cần thiết để có thể hiểu cách thức các thành phần đơn lẻ hoạt động cùng nhau trong một tế bào.

Các công cụ mới đang dần thu hẹp khoảng cách này. Sự ra đời của kĩ thuật cryo-electron tomography hay cryo-ET cho thấy tiềm năng giúp nghiên cứu và hiểu sâu hơn cách các tế bào hoạt động bên trong người khoẻ và bệnh.

Với kinh nghiệm trong nghiên cứu cấu trúc protein, giáo sư Jeremy Berg đã thấy được sự tiến bộ đáng kinh ngạc trong việc phát triển các công cụ có thể xác định chi tiết cấu trúc sinh học. Và việc hiểu được cách thức hoạt động của các hệ thống phức tạp trở nên dễ dàng hơn khi chúng ta biết chúng trông như thế nào, hiểu cách các cấu trúc sinh học bên trong khớp với nhau ra sao cũng là chìa khóa để hiểu cách thức hoạt động của các sinh vật.

Lược sử của kính hiển vi

Kính hiển vi quang học (light microscopy) được phát minh vào thế kỉ 17, lần đầu cho thấy có sự tồn tại của các tế bào.

Đến thế kỉ 20, kính hiển vi điện tử (electron microscopy) thậm chí còn cung cấp chi tiết hơn, tiết lộ các cấu trúc phức tạp bên trong tế bào, bao gồm các bào quan như mạng lưới nội chất (endoplasmic reticulum), đóng vai trò chính trong quá trình tổng hợp và vận chuyển protein.

Từ 1940s-1960s, các nhà hoá sinh học đã để tách các tế bào thành các thành phần phân tử của chúng và tìm cách xác định cấu trúc 3D của các protein các phân tử vĩ mô khác ở độ phân giải nguyên tử. Phương pháp tinh thể học tia X (X-ray crystallography) lần đầu tiên được dùng để quan sát cấu trúc của myoglobin, một loại protein cung cấp oxy cho cơ bắp.

Và hơn 1 thập kỷ qua, các kĩ thuật dựa trên cộng hưởng từ hạt nhân, tạo ra các hình ảnh dựa trên cách các nguyên tử tương tác trong từ trường, và với sự ra đời của cryo-electron microscopy đã gia tăng nhanh chóng số lượng và độ phức tạp của các cấu trúc mà các nhà khoa học có thể quan sát được.

Cryo-EM và cryo-ET là gì?

Cryo-EM (tạm dịch: phương pháp đông lạnh mẫu thử dùng trong kính hiển vi điện tử) sử dụng máy ảnh để phát hiện cách 1 chùm điện tử bị lệch hướng khi chúng đi qua 1 mẫu vật (thường là protein hoặc virus), để quan sát các cấu trúc ở mức độ phân tử. Các mẫu này thường được đông lạnh để bảo vệ khỏi tác hại của bức xạ. Mô hình chi tiết cấu trúc quan tâm được tạo ra bằng cách chụp nhiều hình ảnh của các phân tử riêng lẻ và sau đó tổng hợp để suy ra cấu trúc 3D. 

Cryo-ET tương tự như cryo-EM nhưng sử dụng phương pháp khác. Vì hầu hết các tế bào đều khá dày để có thể chụp ảnh rõ ràng, nên trước hết, vùng quan tâm trong tế bào được làm mỏng nhờ chùm ion. Mẫu  này sau đó được chụp ảnh ở nhiều góc độ khác nhau. Những hình ảnh thu nhận được sau đó được máy tính xử lý, tổng hợp để tạo ra hình ảnh 3D của một phần tế bào.

Độ phân giải của hình ảnh này đủ cao để các nhà khoa học hay chương trình máy tính có thể xác định các thành phần riêng lẻ của các cấu trúc khác nhau trong một tế bào. Các nhà nghiên cứu đã dùng phương pháp này để quan sát cách các protein di chuyển và bị phân hủy bên trong tế bào tảo.

Hơn nữa, cryo-EM kết hợp với các chương trình trí tuệ nhân tạo (AI) như AlphaFold còn có thể giúp dự đoán các cấu trúc protein chưa từng được mô tả.

Tìm hiểu cấu trúc và chức năng của tế bào

Các phương pháp hình ảnh và quy trình được cải tiến, các nhà khoa học sẽ có thể giải quyết 1 số câu hỏi chính trong sinh học tế bào bằng các cách tiếp cận khác nhau.

Bước đầu tiên là xác định loại tế bào và vùng nào trong tế bào này được quan tâm nghiên cứu. Kính hiển vi điện tử và ánh sáng tương quan (correlated light and electron microscopy – CLEM), sử dụng đánh dấu huỳnh quang để giúp xác định vị trí các vùng nơi diễn ra các quá trình thú vị bên trong tế bào.

Việc so sánh sự khác biệt di truyền giữa các tế bào có thể cung cấp chúng ta nhiều thông tin chi tiết. Các tế bào không có chức năng cũng có thể được xem xét thông qua cấu trúc bên trong chúng. Đây cũng là cách tiếp cận giúp nghiên cứu cách các tế bào tương tác với nhau.

Cryo-ET có thể vẫn là một công cụ chuyên dụng trong thời gian này. Nhưng những phát triển công nghệ hơn nữa và khả năng truy cập gia tăng sẽ cho phép cộng đồng khoa học xem xét mối liên hệ giữa cấu trúc và chức năng của tế bào ở mức độ chi tiết chưa từng có. Tác giả dự đoán sẽ có nhiều giả thuyết mới về cách chúng ta hiểu các tế bào, cách các phân tử lộn xộn được sắp xếp để tạo thành một hệ chức năng.

Nguồn: The Conversation.