Để trở nên táo bạo

Thiết bị kính hiển vi mới chụp các bộ phim 3D những tế bào bên trong các sinh vật sống một cách chi tiết chưa từng có

Cách đây hơn 350 năm, một triết gia tự nhiên người Anh - Robert Hooke nhìn qua kính hiển vi ở một nút nhỏ và phát hiện ra rằng “nó” được làm từ những ngăn nhỏ giống như hộp, mà ông đặt tên là “tế bào”. Từ thời điểm đó, Hooke và vô số tâm trí tò mò sau khi ông cố gắng để có cái nhìn tốt hơn về những khối xây dựng cơ bản của cuộc sống này.

Trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Science ngày 20 tháng 4, các nhà nghiên cứu từ Học viện Nghiên cứu Janelia của Viện Y khoa Howard Hughes (HHMI - Howard Hughes Medical Institute's), Trường Y Harvard và các tổ chức cộng tác báo cáo sự phát triển của kính hiển vi có khả năng chụp ảnh 3D và các tế bào bên trong cuộc sống sinh vật một cách chi tiết chưa từng có. 

Phù hợp với kỹ thuật được các nhà thiên văn học sử dụng để nghiên cứu những ngôi sao xa xôi, nhóm nghiên cứu, dẫn đầu là người đoạt giải Nobel và trưởng nhóm Janelia Eric Betzig, đã giới thiệu công nghệ mới này bằng cách tạo ra một loạt các bộ phim tuyệt vời như: Tế bào ung thư bò qua mạch máu, Tế bào thần kinh cột sống lắp vào mạch, Các tế bào miễn dịch bay vào tai của cá ngựa vằn và nhiều hơn nữa. Độ phân giải của kính hiển vi đủ mạnh để có thể chụp được một cách chi tiết dưới dạng tế bào chẳng hạn như động lực của các bong bóng nhỏ được gọi là mụn nước, vận chuyển hàng hóa phân tử qua tế bào. Đồng tác giả nghiên cứu Tomas Kirchhausen - Giáo sư sinh học tế bào trường Y khoa Harvard - Chủ tịch Springer Family của khoa nhi và một điều tra viên cấp cao tại Bệnh viện Nhi Boston cho biết: “Đây là phép lạ khi có thể nhìn thấy những gì chúng ta chưa từng thấy trước đây. Nó thật đáng kinh ngạc”. Kirchhausen nói, “Mỗi khi chúng tôi thực hiện một thí nghiệm với kính hiển vi này, chúng tôi được quan sát một điều gì đó mới lạ - và tạo ra những ý tưởng và giả thuyết mới để thử nghiệm. Kính hiển vi có thể được sử dụng để nghiên cứu bất kỳ vấn đề gì trong một hệ thống sinh học hoặc sinh vật mà tôi nghĩ đến”.

Trong khi các nhà khoa học sử dụng kính hiển vi để quan sát các tế bào trong nhiều thế kỷ, thì những quan điểm rõ ràng nhất từ trước tới nay đến từ các tế bào phân lập trên các phiến thủy tinh. Việc hình dung các tế bào sống trong thời gian thực bên trong các sinh vật sống vẫn còn khó khăn hơn nhiều. Các tế bào được bao quanh bởi các mô và các cấu trúc sinh học khác tranh giành ánh sáng đến từ và quay trở lại một mục tiêu kính hiển vi, làm mờ đi và che khuất các chi tiết quan trọng. Ánh sáng đủ mạnh để thâm nhập vào cấu trúc sinh học và mang lại một cái nhìn sắc nét hơn về các tế bào, mặt khác, có thể làm hỏng các mô. 

Betzig, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Điều này làm dấy lên nghi ngờ rằng chúng ta không thấy các tế bào ở trạng thái tự nhiên được an vui trong sinh vật mà chúng đã tiến hóa. Người ta thường nói rằng nhìn thấy là tin tưởng, nhưng khi nói đến sinh học tế bào, tôi nghĩ câu hỏi thích hợp hơn là: “Khi nào chúng ta có thể tin những gì chúng ta thấy?”. Để giải quyết những thách thức này, Betzig và các cộng sự đã kết hợp hai công nghệ: kính hiển vi quang học, Betzig đã phát triển vào đầu những năm 2010, và quang học thích nghi, một kỹ thuật mượn từ thiên văn học. Kính hiển vi quang học quét nhanh chóng và lặp đi lặp lại của một tấm siêu mỏng ánh sáng, giúp tránh tẩy trắng hoặc hư hỏng liên quan đến chùm ánh sáng tập trung truyền thống. Nó có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh 2D có độ phân giải cao của các tế bào sống khi chúng thực hiện các chức năng, và bằng cách kết hợp loạt các hình ảnh này theo thời gian, các nhà khoa học có thể tạo ra phim 3D. Để sắp xếp lại tấm ánh sáng khi nó đi qua các mô và các cấu trúc khác, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang các ngôi sao. Để xem các vật thể ở xa thông qua bầu khí quyển của Trái đất, các nhà thiên văn học dựa vào quang học thích nghi - gương biến dạng và bộ điều biến ánh sáng. Quá trình này sử dụng một laser mạnh, nhắm vào vùng trời nhỏ mà họ muốn hình ảnh, phục vụ như một “ngôi sao hướng dẫn”. Khi laser đi qua bầu khí quyển, quang sai quang học làm méo mó đường đi của nó được lộ ra và điều chỉnh bởi quang học thích nghi. Betzig và các đồng nghiệp đã áp dụng nguyên lý này cho thế giới vi mô, sử dụng laser hai photon để tạo ra một hệ quang học thích nghi duy trì sự chiếu sáng mỏng của tấm lười ánh sáng khi nó xuyên qua một sinh vật để tạo ra những hình ảnh không bị bóp méo.

Nhóm nghiên cứu đã xác nhận kính hiển vi quang học mới trên một loạt các mẫu sinh học, phần lớn được thực hiện thông qua các phòng thí nghiệm của Kirchhausen và Sean Megason, giáo sư sinh học của trường Y khoa Harvard. Để hiểu được dữ liệu mà họ tạo ra, nhóm đã tạo ra phần mềm riêng biệt và quy trình công việc tính toán và trực quan, dẫn đầu bởi các tác giả đồng nghiên cứu Gokul Upadhyayula, giảng viên trường Y khoa Harvard về nhi khoa tại Boston và cộng sự nghiên cứu phòng thí nghiệm Kirchhausen và Tsung-Li Liu, trước đây là một nhà khoa học nghiên cứu phòng thí nghiệm Betzig tại Viện Y khoa Howard Hughes. Upadhyayula cho biết: "Đối với các loại dữ liệu chúng tôi tạo ra, không có phần mềm thương mại nào chúng tôi có thể sử dụng để tạo phim có thể diễn giải và trích xuất thông tin có ý nghĩa về mặt sinh học, vì vậy chúng tôi đã xây dựng các công cụ cần thiết. Điều này cho phép chúng tôi hiểu những gì chúng tôi thu thập và hình dung dữ liệu theo những cách có ý nghĩa, bao gồm, trong tương lai gần, các phim 3D tương tác đầy đủ".

Kết quả thật đáng chú ý. Trong một bộ phim, một tế bào miễn dịch màu cam bốc lửa khúc khích điên cuồng qua tai của một con cá ngựa vằn trong khi múc các hạt đường màu xanh trên đường đi. Trong một trường hợp khác, một tế bào ung thư di căn bám vào các phần phụ dính khi nó cuộn qua một mạch máu và cố gắng siết chặt thành mạch. Nhóm nghiên cứu đã thu thập các bộ phim về hành vi của các bào quan khi chúng tự hồi phục bên trong các tế bào trong quá trình phân chia tế bào và thậm chí có thể hình dung trong thời gian thực và ở gần phân tử chi tiết quá trình của nội bào qua trung gian protein clathrin, mà các tế bào sử dụng để nắm bắt các vật liệu từ môi trường bên ngoài của chúng. Kirchhausen nói: “Tôi làm việc để hiểu cách các tế bào ‘ăn’ sử dụng máy móc dựa trên những người mang mầm bệnh, và tất cả cuộc sống của tôi, tôi đã mơ thấy được điều này trong một sinh vật sống. Chúng tôi cuối cùng đã đạt được điều này”. Betzig cho biết, sự phức tạp của môi trường đa bào 3D có thể được áp đảo, nhưng sự rõ ràng của hình ảnh cho phép chúng tính toán “nổ” ngoài các tế bào riêng lẻ trong mô để tập trung vào các động lực trong bất kỳ một cụ thể nào. Upadhyayula nói: "Chúng tôi thậm chí không biết những câu hỏi để hỏi bởi vì chúng tôi chưa bao giờ nhìn thấy một số trong những sinh vật học ở mức độ chi tiết này”. Tất cả những chi tiết này sẽ rất khó thấy nếu không có quang học thích ứng, Betzig nói: “nó quá mờ nhạt”. Theo quan điểm của ông, quang học thích nghi là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất trong nghiên cứu kính hiển vi hiện nay, và kính hiển vi quang học, vượt trội ở hình ảnh sống 3D, là nền tảng hoàn hảo để thể hiện sức mạnh của nó.

Bước tiếp theo là làm cho công nghệ có giá cả phải chăng và thân thiện với người dùng. Kính hiển vi hiện tại chiếm một bàn dài 10 feet. Phối hợp với Kirchhausen và Upadhyayula, nhóm nghiên cứu của Betzig đang làm việc trên một phiên bản thế hệ tiếp theo nên phù hợp với một chiếc bàn nhỏ với chi phí trong tầm với của các phòng thí nghiệm cá nhân. Công cụ như vậy đầu tiên sẽ đi đến Trung tâm hình ảnh nâng cao của Janelia, nơi các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới có thể áp dụng để sử dụng nó. Một thiết bị thứ hai được xây dựng cùng một lúc sẽ được đặt tại phòng thí nghiệm Kirchhausen tại trường Y khoa Harvard ở Boston. Kế hoạch xây dựng công cụ cũng sẽ được cung cấp.

Các tác giả đóng góp bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Stony Brook, Đại học California, Berkeley, Viện Công nghệ California và Đại học Exeter.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Viện Y tế Howard Hughes, Viện Y tế Quốc gia (R01GM075252, R01DC015478, 5R00CA154870-05, 1R01GM121597-01, R01CA196884 và R35GM118149), Quỹ Khoa học Quốc gia (IOS1452928), Quỹ Nghiên cứu Ung thư Vú Carol M. Baldwin, Damon Quỹ nghiên cứu ung thư Runyon, Quỹ từ thiện Pew, Biogen, Ionis Pharmaceuticals và Chương trình Khoa học Nhân Loại Frontier. 
Chuyển thể từ một bản tin tin tức Viện Y khoa Howard Hughes.

Nguồn: https://hms.harvard.edu/news/boldly-go?utm_source=Silverpop&utm_medium=email&utm_term=s1&utm_content=4.23.18.HMS
Lược dịch: Bs.Nguyễn Hữu Tùng & cộng sự