Hình ảnh virus 3D có độ phân giải lớn nhất từ trước đến nay

Nhóm nghiên cứu đại học Purdue đã thành công trong việc tạo hình ảnh virus với độ phân giải gấp đôi so với trước đây.

Trợ lý giáo sư khoa học sinh học Wen Jiang tại đại học Purdue đã chỉ đạo nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật kính hiển vi lạnh điện tử đơn để lấy hình ảnh 3D của virus với độ phân giải 4,5 angstrom (đơn vị đo bước sóng ánh sáng). Trung bình 1 triệu angstrom thì tương đương với đường kính một sợi tóc của con người.

Jiang còn là thành viên của nhóm cấu trúc sinh học đại hoc Purdue cho biết: “Đây là một trong những dự án đầu tiên nhằm hoàn thiện kỹ thuật để đạt đến độ phân giải cấp nguyên tử. Dự án đã tạo ra bước đột phá, cho phép chúng ta quan sát được những chi tiết ở cấp độ mới trong cấu trúc này. Đây là độ phân giải lớn nhất đạt được đối với những sinh vật sống có kích cỡ như thực khuẩn thể”. Ông cũng thêm rằng, chi tiết cấu trúc của virus sẽ cung cấp những thông tin giá trị trong nghiên cứu điều trị bệnh.

“Nếu chúng ta hiểu được bằng cách nào mà các phần của virus tập hợp được với nhau, chúng lây nhiễm sang tế bào chủ như thế nào thì khả năng của chúng ta sẽ được nâng cao để nghiên cứu các phương pháp điều trị. Các nhà sinh học cấu trúc đã tiến hành khoa học cơ bản và cung cấp thông tin nhằm nghiên cứu các lĩnh vực y học”.

Roger Hendrix – giáo sư khoa học sinh học đại học Pittsburgh – cho rằng những gì chúng ta học được từ virus có thể được áp dụng cho rất nhiều hệ thống sinh học khác.

Ông nói: “Việc hiểu được các protein tạo nên cấu trúc virus cung cấp cho chúng ta hình ảnh bên trong của những bộ máy sinh học có mặt xuyên suốt trong cơ thể chúng ta. Đạt đến độ phân giải 4,5 angstrom đúng thực là một bước ngoặt lớn vì đây là lần đầu tiên chúng ta thực sự có thể quan sát được chuỗi polypeptit – “bộ xương” của các loại protein. Giờ chúng ta đã có thể nhìn thấy những bộ phận tí hon cũng như các cơ chế giúp protein chuyển động và tương tác trong khi thực hiện vai trò sinh học phức tạp của mình”.

Hình ảnh của thực khuẩn thể Epsilon 15 do trợ lý giáo sư khoa học sinh học Wen Jiang tại Purdue nghiên cứu. Hình ảnh của thực khuẩn thể có độ phân giải là 4,5 angstrom – độ phân giải lớn nhất từ trước đến nay đạt được đối với một sinh vật sống có kích cỡ bằng thực khuẩn thể. (Ảnh: Phòng thí nghiệm Wen Jiang)

Kỹ thuật lấy hình ảnh được gọi là cryo-EM có ưu điểm là duy trì mẫu vật được nghiên cứu trong một điều kiện gần giống với môi trường tự nhiên. Một số kỹ thuật khác được sử dụng phổ biến như kĩ thuật tinh thể học tia X đòi hỏi phải thao tác trên mẫu vật.

Jiang cho biết: “Phương pháp này rất mới mẻ trong việc tạo khuôn cấu trúc protein trong các bộ phận của các đại phân tử khác (ví dụ như ADN) trong điều kiện gần như nguyên bản. Mẫu vật được thanh khiết trong dung dịch gần giống như môi trường trong tế bào vật chủ. Virus được làm đông cứng trong cốc thủy tinh nhưng vẫn sống và có khả năng lây nhiễm khi chúng ta nghiên cứu”.

Bên cạnh Jiang còn có nhà khoa học Matthew L. Baker, Joanita Jakana và Wah Chiu thuộc đại học Y Baylor, nhà khoa học Peter R. Weigele và Jonathan King thuộc viện công nghệ Massachusetts. Dự án được viện Y tế quốc gia và Quỹ khoa học quốc gia tài trợ.

Jiang cho biết, nhóm của ông đã thiết lập được bản đồ ba chiều vỏ protein bên ngoài của thể thực khuẩn epsilon 15 – một loại virus ăn vi khuẩn và cũng là một thành viên của một gia đình virus vốn là dạng sống phổ biến nhất trên trái đất.

Các phương pháp xác định cấu trúc khác không thể áp dụng được với dòng virus này. Việc thực hiện kết tinh không thành công cũng như sự phức tạp của dòng virus đã cản trở việc đánh giá thông qua thiết lập trình tự gen.

“Phương pháp mới cho thấy cryo-EM hoàn toàn có thể thực hiện được và đây cũng sẽ là bước chính trong việc đạt được toàn bộ ưu điểm tiềm năng của kỹ thuật. Mục tiêu của chúng tôi là đạt đến độ phân giải từ 3 đến 4 angstrom cho phép chúng ta quan sát rõ ràng các axit amino tạo nên phân tử protein”.

Trong phương pháp kính hiển vi điện tử, tia electron được dùng thay thế tia sáng sử dụng trong phương pháp kính hiển vi thông thường. Các điện tử được sử dụng thay ánh sáng cho phép quan sát được những chi tiết nhỏ hơn nhiều qua kính hiển vi.

Phương pháp cryo-EM làm lạnh mẫu vật ở nhiệt độ dưới mức đóng băng của nước. Kỹ thuật này giúp giảm thiểu tổn hại từ tia electron, cho phép tiến hành trên mẫu vật trong một khoảng thời gian dài hơn. Một khi có nhiều thời gian tiến hành với mẫu vật, chúng ta sẽ có được những hình ảnh chi tiết và cụ thể hơn.

Các nhà nghiên cứu sử dụng cryo-EM đã thu được hình ảnh có độ phân giải 6-9 angstrom nhưng như thế vẫn chưa phân biệt được những bộ phận nhỏ trong cấu trúc nằm cách nhau 4,5 angstrom.

Jiang cho biết: “Để tạo thành khối protein trong virus cần phải có rất nhiều thành phần khác nhau. Việc này giống như tiến hành thao tác trên một cái chăn sọc vằn. Nhìn từ xa, các đường kẻ sọc hòa vào với nhau khiến cái chăn giống như chỉ có một màu duy nhất. Nhưng khi bạn tiến lại gần hơn, bạn có thể nhìn thấy các sọc khác nhau. Nếu bạn sử dụng kính lúp, bạn có thể nhìn thấy các sợi chỉ tạo nên đồ vật. Độ phân giải cần thiết phải nhỏ hơn khoảng cách giữa các đường kẻ để có thể nhìn thấy hai đường khác nhau”.

“Nếu có thể phóng đại lên, các nhà nghiên cứu sẽ thấy được những thành phần bị nhập làm một trong những bức ảnh trước đây”.

Phương pháp Cryo-EM đòi hỏi phải có loại kính hiển vi electron đắt tiền và nguồn lực tin học dồi dào. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi electron của đại học Y Baylor. Họ hy vọng có thể lắp đặt được chiếc kính hiển vi electron tối tân tại đại học Purdue vào năm 2009.

Năm 2006, đại học Purdue đã nhận được 2 triệu đôla tiền hỗ trợ từ viện Y tế quốc gia dùng để mua kính hiển vi. Nó sẽ được lắp đặt tại phòng Sinh học cấu trúc Hockmeyer dự định khánh thành vào năm 2009. Các chương trình máy tính được sử dụng để nhận tín hiệu từ kính hiển vi và kết hợp hàng ngàn hình ảnh hai chiều thành một hình ảnh 3 chiều chính xác ghi lại cấu trúc của virus. Theo Jiang, điều này đỏi hỏi phải sử dụng một hệ thống dữ liệu lớn và công việc sẽ không thể tiến hành được nếu không có nguồn tài nguyên từ văn phòng công nghệ thông tin đại học Purdue (ItaP).

Jiang đã sử dụng chương trình Condor của đại học Purdue – chương trình kết nối các máy tính bao gồm các máy tính để bàn cũng như các máy tính chuyên dùng trong nghiên cứu – để tạo nên mạng lưới máy tính lớn nhất trong bất kì một trường đại học nào.

Ông cho biết: “ItaP đã cung cấp cho chúng tôi sức mạnh công nghệ để tạo nên hệ thống siêu máy tính rất cần thiết cho dự án này. Chương trình Condor của đại học Purdue cho phép chúng tôi tận dụng được uy lực của 7000 máy tính. Đây cũng là yếu tố chủ chốt trong thành công của chúng tôi”. Jiang dự định tiếp tục hoàn thiện các bước của chu trình để nâng cao khả năng của kỹ thuật nhằm tìm hiểu được thêm nhiều dòng virus trong y học.

Nhóm cấu trúc sinh học trường đại học Purdue đã nghiên cứu rất nhiều vấn đề, bao gồm: Đường tín hiệu trong tế bào, xúc tác ARN, hồi cứu sinh học, đường xâm nhập của virus, bản sao virus và các bệnh liên quan đến virus. Các nhà nghiên cứu đã kết hợp phương pháp tinh thể học tia X, kính hiển vi điện tử, quang phổ học NMR và các công cụ tạo khuôn sử dụng máy tính tiến bộ khác để tìm hiểu những vấn đề nêu trên.

Bài viết giải trình nghiên cứu được đăng tải trên số ra ngày 28/3 tờ Nature.