Giải Nobel Hóa học năm 2017 cho kỹ thuật dựng ảnh ba chiều phân tử sinh học
Ba nhà khoa học Châu Âu vừa được trao Giải Nobel Hóa học hôm thứ tư cho nghiên cứu về phát triển cách thức mới để ghi lại hình ảnh ba chiều một cách chính xác các phân tử sinh học như protein, DNA và RNA.
Công trình của họ đã giúp các nhà khoa học giải mã được những chu trình diễn ra trong tế bào mà trước đây không nhìn thấy được, và dẫn đến sự hiểu biết nhiều hơn về các loại virus như Zika. Trong tương lai, kỹ thuật này có thể dựng được bản đồ về sự phát triển của virus để điều trị bệnh hiệu quả hơn.
Những người được trao giải là nhà sinh học vật lý đã nghỉ hưu Jacques Dubochet ở Đại học Lausanne, Thụy Sĩ; giáo sư Joachim Frank tại Đại học Columbia, ở New York; và nhà khoa học Richard Henderson đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Hội đồng Nghiên cứu Y khoa Anh Quốc tại Cambridge.
Ủy ban Giải Nobel cho biết, kỹ thuật này được gọi là kính hiển vi electron (điện tử) cryo, tạo ra "những hình ảnh chi tiết về hệ thống phức tạp của những tế bào ở mức độ phân tử."
“Những bí mật sẽ nhanh chóng không còn nữa. Giờ đây chúng ta có thể nhìn thấy chi tiết phức tạp của những phân tử sinh học ở mọi góc nhìn khác nhau trong tế bào, trong mỗi giọt dung dịch trong cơ thể của chúng ta,” giáo sư hóa học vật lý Sara Snogerup Linse ở Đại học Lund Thụy Điển, là chủ tịch hội đồng Giải Nobel Hóa học, cho biết.
Tiến sĩ Henderson cho biết trong một cuộc họp báo ở Cambridge rằng ông rất vui khi được cùng chia sẻ giải thưởng. Trong cuộc gọi điện thoại trực tiếp đến Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển, ông cũng công nhận những người khác đã cùng đóng góp cho sự phát triển của kỹ thuật này.
“Ba người chúng tôi được nhận giải hôm nay chỉ là thay mặt cho những người khác trong lĩnh vực này. Đó là một nỗ lực của nhiều người từ trên khắp thế giới suốt thời gian dài mà mãi hôm nay mới đạt được kết quả,” Tiến sĩ Henderson chia sẻ.
Tiến sĩ Frank nhận được cuộc điện thoại vào 5 giờ 18 phút sáng tại tư gia ở New York. Ông cho biết dạo gần đây chú chó nuôi trong nhà thường sủa vào sáng sớm và đánh thức ông cùng vợ trước khi đồng hồ báo thức reo lên. “Nhưng lần này không phải sự đánh thức từ chú chó,” ông nói.
Về nghiên cứu đoạt giải
Việc tìm ra hình dạng của protein và các phân tử sinh học khác là rất quan trọng trong việc hiểu được chức năng của chúng. Lấy thí dụ cấu trúc của một virus, sẽ cho ta những manh mối cần thiết để ta biết được cách nó xâm nhập vào một tế bào.
Trong suốt nhiều thập niên, phương pháp chính để nghiên cứu cấu trúc protein là xếp chồng nhiều bản sao của một protein để tạo thành một tinh thể, rồi chiếu các tia X vào và đón các tia phản xạ ra ngoài, từ đó suy luận được về hình dạng của protein qua các bản ghi về tia X phản xạ.
Tuy nhiên, nhiều protein mà đặc biệt là protein nằm trong màng của tế bào, quá mềm hoặc quá rối loạn để có thể được kết tinh. Tiến sĩ Henderson đã bắt đầu sự nghiệp của mình với công việc tinh chế tia X, nhưng do bị cản trở về mặt kỹ thuật, ông đã chuyển sang ngành kính hiển vi electron.
Khi kính hiển vi electron được phát minh vào năm 1931, sử dụng một chùm electron để tạo ra những hình ảnh với độ phân giải tốt hơn so với những gì mà kính hiển vi thông thường có thể làm được. Nhưng chúng phải hoạt động trong môi trường chân không, các mẫu vật sinh học có thể bị khô, và việc chiếu các electron của có thể dễ dàng làm hỏng phân tử trong vật mẫu.
Loại protein đặc biệt mà Tiến sĩ Henderson và các đồng nghiệp của mình muốn nghiên cứu, được nhúng vào màng tế bào của một sinh vật quang hợp, và họ sử dụng một lớp phủ dung dịch glucose để ngăn không cho nó bị khô.
Họ đã giảm được cường độ của chùm electron và theo dõi được sự sắp xếp của các protein trong tế bào. Điều đó cho phép Tiến sĩ Henderson tái tạo được hình dạng của protein từ sự phân tán của các electron vào năm 1975, nó cũng giống như cách phân tích mà đã được sử dụng cho các tinh thể protein bằng tia X.
Nhưng các loại protein khác nhau khi nhúng vào một màng tế bào nào đó đều được phân tán theo các hướng khác nhau chứ không nhất định theo cùng một hướng. Thập niên 70 và 80, Tiến sĩ Frank đã đưa ra một bước tiến mới và đã được Ủy ban Giải Nobel khen thưởng. Ông đã ghi lại hàng ngàn hoặc thậm chí là hàng triệu bản ghi protein mà phân tán theo các hướng khác nhau.
“Lúc này, bạn đã có được dự đoán về tất cả hướng đi của các phân tử trong tế bào. Nhưng vấn đề khác là bạn phải biết được chính xác loại protein nào sẽ đi theo hướng nào. Đó mới là phần khó,” Tiến sĩ Frank cho biết trong cuộc phỏng vấn.
Phần mềm máy tính đã làm việc này, nó tập hợp tất cả những hình ảnh tương tự nhau – các protein có cùng hướng – để tìm ra cách sắp xếp chúng và tổng hợp lại để tạo ra hình ảnh sắc nét hơn. Sự tổng hợp các bản ghi cho phép ông nhìn thấy phân tử ở nhiều góc độ khác nhau, từ đó phát triển thành hình dạng ba chiều của chúng.
Tiến sĩ Dubochet hiện đang nghiên cứu tại Đại học Lausanne, Thụy Sĩ, đã phát minh ra thành phần "cryo" của kính hiển vị electron cryo. Tiến sĩ Henderson nhìn nhận rằng: “Ông ấy là cha đẻ của lĩnh vực này.”
Việc nhúng các phân tử trong băng đá cũng giúp chúng khỏi bị khô. Nhưng trong các phân tử nước đá, thường thì chúng sẽ xếp chồng lên nhau tạo thành hình dạng như tinh thể, và sự phản xạ ra ngoài của các tia sáng chiếu vào sẽ là những hình ảnh vô dụng, không khắc họa được điều gì.
Để khắc phục vấn đề này, Tiến sĩ Dubochet đã nhúng các mẫu vật trong ethane làm mát bằng nito lỏng. Ở nhiệt độ âm 32 độ Fahrenheit (250 độ Celsius), một lớp siêu mỏng các phân tử nước đóng băng ở tốc độ nhanh đến nỗi chúng không kịp sắp xếp thành cấu trúc giống tinh thể. Điều này cho phép kỹ thuật kính hiển vi quan sát được chúng thay vì phải nhúng vào băng giá thông thường.
Những tiến bộ trong kính hiển vi electron ngày nay cho chúng ta cái nhìn rõ nét đến từng nguyên tử trong phân tử. Các protein được Tiến sĩ Henderson chụp ảnh lại vào năm 1975, giờ đây đã có thể được nghiên cứu một cách chính xác.
Tại sao nghiên cứu này lại quan trọng?
Kỹ thuật này thúc đẩy sự tiến bộ của khoa học. Năm ngoái, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi electron cryo để phân tích cấu trúc của virus Zika, loại virus gây ra dị tật bẩm sinh. “Chúng ta sẽ không bao giờ làm được điều đó chỉ với phương pháp phân tích qua tinh thể như lúc đầu,” giáo sư khoa học sinh học Michael Rossmann ở Đại học Purdue bang Indiana, người từng dẫn đầu một nghiên cứu để tạo ra cấu trúc của Zika, cho biết.
Ông cho biết rằng ông và các đồng nghiệp đã xác định được bộ phận nào của Zika sẽ khiến cả virus Zika bị vô hiệu hóa nếu đưa kháng thể vào vị trí đó. Và điều này có thể dẫn đến sự phát triển của thuốc kháng virus này. Kỹ thuật tương tự cũng được sử dụng để tìm ra cấu trúc protein liên quan đến nhịp sinh học, cũng là những tiến bộ được trao Giải thưởng Nobel Y học năm nay.
Chỉ có rất ít phòng thí nghiệm và tổ chức nghiên cứu có thể thực hiện quan sát qua kính hiển vi electron cryo, bởi thiết bị này có chi phí đến hàng triệu dollar. Tiến sĩ Henderson so sánh kỹ thuật này với Phương pháp Dideoxy, lúc ban đầu nó sẽ vô cùng đắt đỏ, nhưng rồi sẽ được phổ biến và giá cả sẽ thích hợp hơn.
Tiến sĩ Frank chia sẻ ông vẫn chưa biết phải làm gì với một phần ba giải thưởng trị giá 1,1 triệu USD. “Tôi chưa nói chuyện này với vợ tôi. Nhưng tôi chắc chắn rằng, tôi và bà ấy sẽ không phải ngủ nhờ ở nhà người khác nữa,” ông cho biết.
Những người nhận giải thưởng
 |
| Tiến sĩ Jacques Dubochet, Tiến sĩ Joachim Frank và Tiến sĩ Richard Henderson đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2017 cho kỹ thuật dựng ảnh ba chiều các phân tử sinh học. Đồ họa: NobelPrize.org. |
Công trình của họ đã giúp các nhà khoa học giải mã được những chu trình diễn ra trong tế bào mà trước đây không nhìn thấy được, và dẫn đến sự hiểu biết nhiều hơn về các loại virus như Zika. Trong tương lai, kỹ thuật này có thể dựng được bản đồ về sự phát triển của virus để điều trị bệnh hiệu quả hơn.
Những người được trao giải là nhà sinh học vật lý đã nghỉ hưu Jacques Dubochet ở Đại học Lausanne, Thụy Sĩ; giáo sư Joachim Frank tại Đại học Columbia, ở New York; và nhà khoa học Richard Henderson đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Hội đồng Nghiên cứu Y khoa Anh Quốc tại Cambridge.
Ủy ban Giải Nobel cho biết, kỹ thuật này được gọi là kính hiển vi electron (điện tử) cryo, tạo ra "những hình ảnh chi tiết về hệ thống phức tạp của những tế bào ở mức độ phân tử."
“Những bí mật sẽ nhanh chóng không còn nữa. Giờ đây chúng ta có thể nhìn thấy chi tiết phức tạp của những phân tử sinh học ở mọi góc nhìn khác nhau trong tế bào, trong mỗi giọt dung dịch trong cơ thể của chúng ta,” giáo sư hóa học vật lý Sara Snogerup Linse ở Đại học Lund Thụy Điển, là chủ tịch hội đồng Giải Nobel Hóa học, cho biết.
Tiến sĩ Henderson cho biết trong một cuộc họp báo ở Cambridge rằng ông rất vui khi được cùng chia sẻ giải thưởng. Trong cuộc gọi điện thoại trực tiếp đến Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển, ông cũng công nhận những người khác đã cùng đóng góp cho sự phát triển của kỹ thuật này.
“Ba người chúng tôi được nhận giải hôm nay chỉ là thay mặt cho những người khác trong lĩnh vực này. Đó là một nỗ lực của nhiều người từ trên khắp thế giới suốt thời gian dài mà mãi hôm nay mới đạt được kết quả,” Tiến sĩ Henderson chia sẻ.
Tiến sĩ Frank nhận được cuộc điện thoại vào 5 giờ 18 phút sáng tại tư gia ở New York. Ông cho biết dạo gần đây chú chó nuôi trong nhà thường sủa vào sáng sớm và đánh thức ông cùng vợ trước khi đồng hồ báo thức reo lên. “Nhưng lần này không phải sự đánh thức từ chú chó,” ông nói.
 |
| Một bài thuyết trình tại Stockholm vào thứ tư vừa qua về công trình của Jacques Dubochet, Joachim Frank và Richard Henderson – những người đoạt Giải thưởng Nobel Hóa học năm 2017. Hình ảnh: Jonathan Nackstrand/Agence France-Presse – Getty Images. |
Về nghiên cứu đoạt giải
Việc tìm ra hình dạng của protein và các phân tử sinh học khác là rất quan trọng trong việc hiểu được chức năng của chúng. Lấy thí dụ cấu trúc của một virus, sẽ cho ta những manh mối cần thiết để ta biết được cách nó xâm nhập vào một tế bào.
Trong suốt nhiều thập niên, phương pháp chính để nghiên cứu cấu trúc protein là xếp chồng nhiều bản sao của một protein để tạo thành một tinh thể, rồi chiếu các tia X vào và đón các tia phản xạ ra ngoài, từ đó suy luận được về hình dạng của protein qua các bản ghi về tia X phản xạ.
Tuy nhiên, nhiều protein mà đặc biệt là protein nằm trong màng của tế bào, quá mềm hoặc quá rối loạn để có thể được kết tinh. Tiến sĩ Henderson đã bắt đầu sự nghiệp của mình với công việc tinh chế tia X, nhưng do bị cản trở về mặt kỹ thuật, ông đã chuyển sang ngành kính hiển vi electron.
Khi kính hiển vi electron được phát minh vào năm 1931, sử dụng một chùm electron để tạo ra những hình ảnh với độ phân giải tốt hơn so với những gì mà kính hiển vi thông thường có thể làm được. Nhưng chúng phải hoạt động trong môi trường chân không, các mẫu vật sinh học có thể bị khô, và việc chiếu các electron của có thể dễ dàng làm hỏng phân tử trong vật mẫu.
Loại protein đặc biệt mà Tiến sĩ Henderson và các đồng nghiệp của mình muốn nghiên cứu, được nhúng vào màng tế bào của một sinh vật quang hợp, và họ sử dụng một lớp phủ dung dịch glucose để ngăn không cho nó bị khô.
Họ đã giảm được cường độ của chùm electron và theo dõi được sự sắp xếp của các protein trong tế bào. Điều đó cho phép Tiến sĩ Henderson tái tạo được hình dạng của protein từ sự phân tán của các electron vào năm 1975, nó cũng giống như cách phân tích mà đã được sử dụng cho các tinh thể protein bằng tia X.
Nhưng các loại protein khác nhau khi nhúng vào một màng tế bào nào đó đều được phân tán theo các hướng khác nhau chứ không nhất định theo cùng một hướng. Thập niên 70 và 80, Tiến sĩ Frank đã đưa ra một bước tiến mới và đã được Ủy ban Giải Nobel khen thưởng. Ông đã ghi lại hàng ngàn hoặc thậm chí là hàng triệu bản ghi protein mà phân tán theo các hướng khác nhau.
“Lúc này, bạn đã có được dự đoán về tất cả hướng đi của các phân tử trong tế bào. Nhưng vấn đề khác là bạn phải biết được chính xác loại protein nào sẽ đi theo hướng nào. Đó mới là phần khó,” Tiến sĩ Frank cho biết trong cuộc phỏng vấn.
Phần mềm máy tính đã làm việc này, nó tập hợp tất cả những hình ảnh tương tự nhau – các protein có cùng hướng – để tìm ra cách sắp xếp chúng và tổng hợp lại để tạo ra hình ảnh sắc nét hơn. Sự tổng hợp các bản ghi cho phép ông nhìn thấy phân tử ở nhiều góc độ khác nhau, từ đó phát triển thành hình dạng ba chiều của chúng.
Tiến sĩ Dubochet hiện đang nghiên cứu tại Đại học Lausanne, Thụy Sĩ, đã phát minh ra thành phần "cryo" của kính hiển vị electron cryo. Tiến sĩ Henderson nhìn nhận rằng: “Ông ấy là cha đẻ của lĩnh vực này.”
Việc nhúng các phân tử trong băng đá cũng giúp chúng khỏi bị khô. Nhưng trong các phân tử nước đá, thường thì chúng sẽ xếp chồng lên nhau tạo thành hình dạng như tinh thể, và sự phản xạ ra ngoài của các tia sáng chiếu vào sẽ là những hình ảnh vô dụng, không khắc họa được điều gì.
 |
| Sự tiến bộ của kính hiển vi electron cryo, rào cản kỹ thuật cuối cùng cũng đã được khắc phục từ sau năm 2013. Độ phân giải hình ảnh thu được vào ngày nay là rất cao. Đồ họa: NobelPrize.org. |
Để khắc phục vấn đề này, Tiến sĩ Dubochet đã nhúng các mẫu vật trong ethane làm mát bằng nito lỏng. Ở nhiệt độ âm 32 độ Fahrenheit (250 độ Celsius), một lớp siêu mỏng các phân tử nước đóng băng ở tốc độ nhanh đến nỗi chúng không kịp sắp xếp thành cấu trúc giống tinh thể. Điều này cho phép kỹ thuật kính hiển vi quan sát được chúng thay vì phải nhúng vào băng giá thông thường.
Những tiến bộ trong kính hiển vi electron ngày nay cho chúng ta cái nhìn rõ nét đến từng nguyên tử trong phân tử. Các protein được Tiến sĩ Henderson chụp ảnh lại vào năm 1975, giờ đây đã có thể được nghiên cứu một cách chính xác.
Tại sao nghiên cứu này lại quan trọng?
Kỹ thuật này thúc đẩy sự tiến bộ của khoa học. Năm ngoái, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi electron cryo để phân tích cấu trúc của virus Zika, loại virus gây ra dị tật bẩm sinh. “Chúng ta sẽ không bao giờ làm được điều đó chỉ với phương pháp phân tích qua tinh thể như lúc đầu,” giáo sư khoa học sinh học Michael Rossmann ở Đại học Purdue bang Indiana, người từng dẫn đầu một nghiên cứu để tạo ra cấu trúc của Zika, cho biết.
Ông cho biết rằng ông và các đồng nghiệp đã xác định được bộ phận nào của Zika sẽ khiến cả virus Zika bị vô hiệu hóa nếu đưa kháng thể vào vị trí đó. Và điều này có thể dẫn đến sự phát triển của thuốc kháng virus này. Kỹ thuật tương tự cũng được sử dụng để tìm ra cấu trúc protein liên quan đến nhịp sinh học, cũng là những tiến bộ được trao Giải thưởng Nobel Y học năm nay.
 |
| Cấu trúc của các phân tử: a) protein phức tạp điều khiển nhịp sinh học, b) những tế bào chịu áp lực của âm thanh cho phép chúng ta nghe được, c) virus Zika. Đồ họa: NobelPrize.org. |
Chỉ có rất ít phòng thí nghiệm và tổ chức nghiên cứu có thể thực hiện quan sát qua kính hiển vi electron cryo, bởi thiết bị này có chi phí đến hàng triệu dollar. Tiến sĩ Henderson so sánh kỹ thuật này với Phương pháp Dideoxy, lúc ban đầu nó sẽ vô cùng đắt đỏ, nhưng rồi sẽ được phổ biến và giá cả sẽ thích hợp hơn.
Tiến sĩ Frank chia sẻ ông vẫn chưa biết phải làm gì với một phần ba giải thưởng trị giá 1,1 triệu USD. “Tôi chưa nói chuyện này với vợ tôi. Nhưng tôi chắc chắn rằng, tôi và bà ấy sẽ không phải ngủ nhờ ở nhà người khác nữa,” ông cho biết.
Những người nhận giải thưởng
Tiến sĩ Dubochet năm nay 75 tuổi, là một công dân Thụy Sĩ. Ông đã nghỉ hưu ở Đại học Lausanne vào năm 2007. Trang mạng cá nhân của ông trên trang của trường Đại học ghi lại lý lịch của ông qua giọng văn hài hước, như ông “được tạo ra trong niềm vui của cha mẹ” vào tháng 10 năm 1941, hay “không còn sợ bóng tối nữa bởi Mặt Trời trí thức đã đến” vào năm 1946.
Tiến sĩ Frank năm nay 77 tuổi, sinh ra ở Đức và nay là một công dân Hoa Kỳ. Ông là giáo sư hóa sinh và sinh học phân tử tại Đại học Columbia, thành phố New York. Ông cũng là một nhà nghiên cứu tại Viện Y tế Howard Hughes, và là thành viên của Học viện Khoa học Quốc gia. Năm 2014, ông nhận được Huân chương Benjamin Franklin về Khoa học thường thức tại Viện Nghiên cứu Franklin ở Philadelphia.
 |
| Từ trái qua: Tiến sĩ Dubochet, Tiến sĩ Frank và Tiến sĩ Henderson. Hình ảnh: Đại học Lausanne, Đại học Columbia, Đại học Cambridge/European Pressphoto Agency. |
Tiến sĩ Henderson năm nay 72 tuổi, sinh ra ở Scotland và là một công dân Anh Quốc. Ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử của Hội đồng Nghiên cứu Y khoa Anh Quốc ở Cambridge từ năm 1973. Ông từng giữ chức giám đốc phòng thí nghiệm từ năm 1996 đến năm 2006.
Những người khác được Giải Nobel năm nay
Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young đã nhận Giải thưởng Nobel Y học vào thứ hai vừa qua cho sự khám phá về cơ chế của phân tử trong việc kiểm soát nhịp sinh học của cơ thể.
Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish đã nhận Giải thưởng Nobel Vật lý vào thứ ba vừa qua cho sự khám phá về sóng hấp dẫn – những gợn sóng trong không-thời gian được Einstein tiên đoán từ một thế kỷ trước. [Xem bài viết]
Trong tuần này, Giải Nobel Văn học sẽ được trao vào thứ năm, Giải Nobel Hòa bình sẽ được trao vào thứ sáu, Giải Nobel Kinh tế sẽ được trao vào thứ hai tuần sau.
Giải Nobel Hóa học năm trước
Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa được vinh danh ở Giải thưởng Nobel Hóa học năm 2016 cho bản thiết kế và tổng hợp về 'những cỗ máy nhỏ nhất thế giới', một bước tiến mở đường cho những vật liệu thông minh đầu tiên trên thế giới. [Xem bài viết]
Quang Niên
theo The New York Times
