Kính hiển vị siêu phân giải chụp được chiều thứ 3 trên vật mẫu

E-mail | Bản in | Lưu xem sau

Phân phối ba chiều của màng protein trong tế bào tạo ra bởi iPALM. Theo chiều ngang của tế bào huỳnh quang được đánh dấu có tên VSVG được mã hóa bằng màu: các phân tử màu đỏ chỉ vị trí sâu nhất, màu tía là vị trí cao nhất. Ảnh: Harald Hess

Hình dáng của một số cấu trúc tế bào cực bé có thể cho hình ảnh nét hơn tại trung tâm nghiên cứu Janelia Farm của viện Y học Howard Hughes, nơi mà phát triển công nghệ tạo hình ảnh có thể cho ra độ phân giải tốt nhất chưa từng đạt được đối với kính hiển vi quang học.

Với công nghệ mới này các nhà khoa học có thể xác định vùng nhãn huỳnh quang trên ảnh ba chiều trong khoảng 10-20 na-nô mét – chừng bằng 10 lần kích cỡ protein trung bình. Các nhà nghiên cứu cho biết hiện họ đã phát triển được một công nghệ cực mạnh có thể phát hiện cấu trúc bên trong của tế sinh học và các tín hiệu phức hợp điều khiển hoạt động của tế.

Phương pháp mới bổ sung thêm chiều thứ ba vào một dạng kính hiển vi quang hiện đại mà các nhà khoa học tại trung tâm Janelia Farm đã dùng để tạo hình ảnh 2 chiều để xác định vị trí của các protein gắn nhãn huỳnh quang với độ phân giải cực cao. Để chuyển dạng chụp hiển vi lên mức kế tiếp – tức là mức tạo hình ba chiều – các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo các khoảng cách cực nhỏ ví dụ như độ chênh lệch chiều cao trong chip máy tính.

Nhà khoa học Harald Hess tại Janelia Farm và các đồng nghiệp mô phỏng theo kĩ thuật có tên là interferometry (đo giao thoa) để tương thích với các phân tử huỳnh quang mà thường các sinh vật học dùng để mường tượng ra hình ảnh của các protein. Khi phương pháp đo giao thoa được kết hợp máy hiển vi định vị bằng photon siêu phân giải (PALM), các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh ba chiều của cấu trúc tế bào vô cùng chi tiết.

“Đây sẽ là công cụ thực sự hữu ích để xử lý với các đối tượng ở cấp độ cấu trúc phân tử,” Hess, người dẫn dầu nhóm vật lý ứng dụng và công cụ đo, chịu trách nhiệm phát triển công nghệ mới này tại trung tâm Janelia Farm.

Hess và các cộng tác viên tại Viện Y tế Quốc gia của đại học bang California và Trung tâm Janelia Farm –người đặt tên công cụ này là đo hiển vi định vị photon giao thoa  (iPALM) đã tạo ra được các hình ảnh cấu trúc ba chiều rất chi tiết mà trước đây kính hiển vi quang bất lực.

Bộ sưu tập của họ gồm cả những bức ảnh của các vi ống tạo nên cấu trúc tế bào và 2 lớp màng ngoài tế bào; và các chất bám dính quan trọng để nối tế bào với các tế xung quanh. Một số bức trong số đó trong bài viết nghiên cứu mô tả về thiết bị mới này xuất bản ngày 2/2/2009 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Hess và cộng sự Eric Betzig tại Janelia Farm đã sáng chế ra kính hiển vi PALM từ năm 2005. Vừa trò ba năm sau, nó đã trở thành một trong số ít phương pháp mới về đo hiển vi “siêu phân giải”, phương pháp được tạp chí Nature Methods vinh danh trong tháng hai vừa rồi là “Phương pháp của năm 2008”.

PALM cho phép các nhà sinh vật học mường tượng ra hình ảnh tết bào chi tiết hơn nhiều so với kính hiển vi quang thông thường - thường bị hạn chế bởi bước sóng ánh sáng. Để đạt được độ phân giải như vậy, PALM sử dụng hình ảnh đánh dấu huỳnh quang mà có thể bật hoặc tắt với nguồn ánh sáng. Tế bào mà protein của nó gắn nhãn và được chụp liên tục với PALM – chỉ với một số lượng nhỏ các phân tử huỳnh quang. Bằng việc tập hợp hàng ngàn hình ảnh thu được, PALM có thể tạo ra một bức tranh hoàn chỉnh của cấu trúc tế bào được nghiên cứu, xác đinh được các protein được gắn nhãn. Kết quả là các nhà nghiên cứu đã có bức tranh rõ nét hơn nhiều so với sự chồng chéo rối rắm mà kính hiển vi quang tạo ra khi các protein đánh dấu được chiếu sáng cùng lúc.

Hess và Betzig đã hình thành nên khái khái niệm phương pháp hiển vi PALM đầu tiên trước lúc họ đến với Janelia Farm năm 2006. Lúc đó họ được phân vào làm việc tại các phòng thí nghiệm mới. Cả hai đã nung nấu ý tưởng cải tiến kĩ thuật này từ lâu. Betzig tập trung cải biến kĩ thuật này đễ nó có thể sử dụng với các tế bào sống và với vài nhãn huỳnh quang màu sắc khác nhau. Còn Hess, mục tiêu quan trọng tiếp theo là mở rộng đến độ phân giải không gian phi thường mà họ đã đạt được đối với cả ba chiều của hình ảnh.

Hess, người đã trải qua 10 năm kinh nghiệm trong nhành công nghiệp bán dẫn và lưu trữ dữ liệu nhanh chóng tập trung nghiên cứu coi đo giao thoa và phương thức để xác định chính xác bề dày của protein trong mội mẫu sinh vật và vào tháng 12/2006 ông đã khởi xướng ý tưởng về iPALM. Ông khẳng định: “Đo giao thoa là một kĩ thuật đo nhạy bén hơn nhiều. Nếu ta có nguồn sáng đủ mạnh, ta có thể đo được vật thể vô cùng bé, thậm chí nhỏ hơn kích cỡ của một nguyên tử.”

Khi đang làm việc trong ngành sản xuất đĩa cứng, Hess đã dùng phép đo giao thoa để xác định khoảng cách các đường cuộn trên mặt đĩa cứng. Ông cho biết, phương pháp liên quan đến chiếu ánh sáng lên mặt đĩa và so sánh sóng phản xạ lại với sóng ‘qui chiếu’ được chiếu lên một tấm gương xa nguồn sáng.

“Nếu ánh sáng đi xuống và chiếu lên bề mặt, nếu bề mặt đó có chút lồi hoặc lõm thì sóng ánh sáng dội ngược trở lại trễ hơn hoặc sớm hơn chút xíu,” ông giải thích. Nếu gương chiếu và bề mặt thử nghiệm có cùng khoảng cách với nguồn sáng thì sóng ánh sáng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nhưng sự không đồng nhất rất nhỏ giữa 2 khoảng cách sẽ thay đổi sóng đến mức có thể đo được. “Tùy thuộc vào độ rộng của sóng tổng hợp, ta có thể xác định độ cao lồi lõm trên khoảng cách nano mét,” ông nói.

Tuy nhiên, Chẳng ai có thể xác định được bằng các nào có thể áp dụng kĩ thuật này cho các mẫu vật sinh học. Hess giải thích, thử thách đầu tiên là đo hiển vi huỳnh quang, các sóng ánh sáng quan trọng sẽ đi qua các bản dẫn huỳnh quang trong mẫu vật chứ không phải từ nguồn la-ze đã được điều chỉnh. Đó là mô hình hoàn toàn mới. Nó không hề giống như việc bạn có thể đặt chân lên đó và nhặt từng tia la-ze để tạo thành chùm qui chiếu.

Hess và đồng nghiệp tại Janelia Farm Gleb Shtengel đã thấy có ý tưởng mới để giải quyết vấn đề: Họ quyết định chia mỗi tia sáng từ phân tử huỳnh quang thành hai phần. Bằng cách phân chia các photon, các nhà nghiên cứu thấy rằng mỗi photon huỳnh quang sẽ đóng vai trò là tia qui chiếu cho chính nó.

Họ đã điều chỉnh kính hiển vi PALM chuẩn để thu được ánh sáng này cả trên và dưới mẫu vật. Cả 2 tia sáng này đều đi đến bộ chia tia điều chỉnh được mà dùng để chia và chuyển đến 3 camera khác nhau. Độ rộng của một phân tử trong mẫu vật qui định khối lượng tia sáng có thể chiếu đến mỗi amera. “Chúng tôi đã ghi lại được hình ảnh cả 3 chiều cùng lúc và tùy thuộc vào lượng ánh sáng xuất hiện trên các camera 1, 2 và 3, chúng tôi có thể tính dược ‘cái này cao bao nhiêu’. Đây là cách nhạy nhất để đo chiều cao thẳng đứng của vật thể.”

“iPALM chỉ cần một lượng ánh sáng rất khiêm tốn để có các số đo nhạy bén, và đó là điều rất ý nghĩa đối với việc tạo hình sinh học,” Hess cho biết. Kĩ thuật vẽ hình cần nhiều photon hơn có có thể buộc các nhà nghiên cứu phải đánh dấu các protein mà họ muốn thấy bằng màu sáng hơn – đó là công việc lớn và đòi hỏi chuẩn bị mẫu vật kĩ lưỡng để phá hủy tế bào.

Các máy dò tìm huỳnh quang tương tự như các loại tương thích với iPALM có thể được mã hóa gen để chúng có thể sản sinh bởi chính các tế bào. Sức mạnh của công cụ đánh dấu bằng chiếu sáng này đã được nhận giải Nobel Hóa học năm 2008 cho ba nhà khoa học Roger Y. Tsien, Osamu Shimomura và Martin Chalfie vì công trình nghiên cứu và phát triển protein huỳnh quang xanh lục.

“Thật tuyệt vời nếu bạn chỉ cần bắt tế bào gắn vào nhãn đánh dấu cho bạn.” Hess nói.

“Tuy nhiên, các phân tử có khả năng phát quang được sử dụng để tạo huỳnh quang chỉ có thể bơm đầy các photon trước khi chúng biến mất. Bạn sẽ phải tận dụng hết những gì bạn có. Kĩ thuật này hiệu gấp cả trăm lần so với các phương pháp khác (đối với việc tạo hình ba chiều) xét về khả năng thu được mặt đa số thông tin về độ sáng của tế bào huỳnh quang.

(SienceDaily- Theo Sở KHCN Đồng Nai )