Soi rọi sự sống

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'soi rọi sự sống', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Soi rọi sự sống

Soi r i s s ng Paul O’Shea, Mike Somekh và William Barnes Vi c hình dung và tìm hi u nh ng h sinh h c ph c t p cp t bào là m t n l c yêu c u s c g ng t t nh t c a c nhà sinh h c l n nhà v t lí h c. K t khám phá ra tia X vào năm 1895, tính hi u kì cũng như nhu c u i u tr ã t o ra nh ng ti n b to l n kh năng c a chúng ta hình dung ra nh ng c u trúc n m bên trong cơ th con ngư i. Ch p nh vô tuy n tia X ã d n ư ng t i vi c s d ng camera tia gamma vào năm 1957, và r i ch p nh siêu âm, ch p nh c ng hư ng t (MRI), và kĩ thu t nh x phát x positron (PET). Cùng v i nhau, nh ng công c này, trong ó v t lí gi vai trò ch o, ch ng cho th c ti n khoa ch p nh i u tr hi n i. Tuy nhiên, c p chi u dài mà nh ng kĩ thu t này kh o sát l i nhi u th thèm khát n u như ngư i ta thích nh ng cái r t nh . MRI i u tr , ch ng h n, ch có th phân gi i nh ng c u 58 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
trúc nh t i 100 m. Trong khi m t s t bào s ng có b ngang hơn 80 m, thì nh ng quá trình t bào quan tr ng và h p d n – ví d như s truy n tín hi u gi a các t bào – có th x y ra trên nh ng c p chi u dài nh hơn 1 m nhi u. Các t bào s ng v cơ b n ư c xác nh b i c u trúc không gian ph c t p c a chúng - ch ng h n như hình d ng bánh rán c a các t bào h ng c u và nh ng ch l i thon dài (g i là axon) c a các t bào th n kinh là chìa khóa cho ch c năng c a chúng. Tuy nhiên, bên dư i nh ng c trưng hình thái h c r ng rãi này là nh ng cơ c u phân t c p tinh túy hơn nhi u, ví d như cytoskeleton (m t giàn khung protein làm n nh nh ng c u trúc n i bào c p l n hơn) và các vùng micro bên trong màng t bào, chúng là nơi t p k t c a các s ki n truy n tín hi u phân t . B t kì kĩ thu t nào nghiên c u tính ch t c a các phân t sinh h c và nhi u tương tác c a chúng theo lí tư ng u s mang l i thông tin không gian, vì các nhà nghiên c u không ng ng ph i tích h p thông tin v các tương tác t n t i dư i m t hi u ng sinh h c v i d li u v nh ng nơi trong t bào nh ng tương tác này x y ra. T t nhiên, tia X bư c sóng ng n có th dùng cung c p thông tin v nh ng c p chi u dài r t nh và có th còn t o ra hình nh c a t ng phân t m t – như trong tinh th h c tia X. M t h n ch là b c x ó có th phá h y nghiêm tr ng các ch t li u sinh h c.Tuy nhiên, các tia X v i bư c sóng hơi dài hơn và năng lư ng th p hơn – có th t o ra b i synchrotron – ít mang tính phá h y hơn nhi u i v i mô. Th t v y, nh ng tia X “m m” này có th dùng t o ra hình nh ba chi u c a t bào s ng v i phân gi i lên t i 10 nm, như ã ư c ch ng th c b i nghiên c u t i synchrotron Ngu n sáng Tiên ti n Phòng thí nghi m qu c gia Lawrence Berkeley Mĩ. Th t ti c là c tia X m m cũng mang tính phá h y và khó i u khi n, và chúng yêu c u s d ng synchrotron. Vì th , a s kĩ thu t dùng cho ch p nh t bào có xu hư ng là quang h c, khai thác ch y u ph n c c tím và kh ki n c a ph i n t . Trong s nh ng kĩ thu t này, hi n vi huỳnh quang tr nên quan tr ng nh t vì nó r t nh y, h t s c linh ho t và tương i d th c hi n. Huỳnh quang là hi n tư ng mà qua ó các c u trúc phân t nh t nh, g i là ch t phát huỳnh quang, phát ra photon khi b kích thích thông qua chi u x v i ánh sáng có bư c sóng nh t nh. S phát x này thư ng x y ra trong kho ng th i gian 1 – 10 ns, thích h p cho vi c o chuy n ng và s nh hư ng l i c a các phân t bên trong t bào, nh ó cho phép nhi u quá trình sinh h c ư c theo dõi. 59 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Trong nh ng trư ng h p hi m, phân t sinh h c c n kh o sát v n ã huỳnh quang. Nhưng thông thư ng thì s huỳnh quang ph i “ ưa vào” các phân t mà các nhà nghiên c u mu n kh o sát b ng cách ánh d u chúng v i m t ch t phát huỳnh quang. Ch t ánh d u có th là toàn b c m t protein, ví d như protein huỳnh quang màu xanh lá (GFP), nó ư c g n v i và bi u hi n ng th i làm protein kh o sát và ch phát huỳnh quang khi c hai th t s ư c ch t o b i t bào ó. Năng lư ng, xung lư ng, tr ng thái phân c c và th i gian phát x c a các photon phát ra b i ch t huỳnh quang có th cung c p toàn b thông tin thi t y u v các quá trình sinh h c cp hi n vi và nano h c. S phân c c c a các photon huỳnh quang, ch ng h n, b nh hư ng b i s nh hư ng c a ch t phát huỳnh quang, và vì th b i s nh hư ng c a b t k protein nào mà nó g n vào – và do ó có th cung c p thông tin v ng l c h c phân t c a phân t kh o sát. Ph n nhi u nghiên c u ã và ang ti n hành b i các nhà v t lí và sinh h c khai thác thu n l i c a m i m t trong s các thu c tính c a s huỳnh quang – các phát tri n là tri u ch ng c a nh ng thay i có nh hư ng sâu r ng trong cách th c chúng ta làm khoa h c trên các ranh gi i ngành h c. Sinh h c b t g p vi n thông Cho dù là s d ng kĩ thu t nào cho vi c ch p nh c u trúc và các quá trình n i bào, thì b n ch t c a v n ch p nh là như nhau: rút trích càng nhi u thông tin càng t t t m u v t. M t s thách th c c n ph i vư t qua t ư c m c tiêu này, do ó, hơi gi ng v i nh ng thách th c g p ph i trong lĩnh v c truy n t i thông tin. Truy n thông bao g m vi c g i các tín hi u – thư ng d ng xung quang h c – xu ng m t kênh d n t i máy thu, ó chúng ư c gi i mã và d ch thành thông tin “có ích”. Tương t như v y, các phân t kh o sát “say mèm” trong m t s ư ng d n thông tin qua m t kính hi n vi (kênh d n) t i m t máy dò hay m t c a ngư i nghiên c u (máy thu), ó thông tin này ti t l các c trưng c a c u trúc t bào. Vào cu i th p niên 1940, Claude Shannon, m t nhà v t lí kĩ thu t làm vi c t i Bell Labs Mĩ, ã phát tri n m t s quy lu t cơ b n xác nh dung lư ng c a m t kênh thông tin. Ông ã nh lư ng, l n u tiên s d ng các tính ch t v t lí ã hi u rõ, lư ng thông tin có th truy n xu ng m t kênh d n, và các quy lu t c a ông còn cho phép các nhà nghiên c u tính ra chính xác mà d li u có th b phá h ng b i các khi m khuy t và nhi u lo n. Cũng nh ng quy lu t này 60 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
áp d ng cho t t c các kênh d n truy n thông, cho dù là chúng truy n t i phiên u giá eBay và các applet Web xuyên i Tây Dương hay là thông tin v ng l c h c phân t bên trong m t t bào s ng. Mô t toán h c c a phân gi i quang h c ư c thi t l p c l p b i ngài Rayleigh và Ernst Abbe vào n a cu i th k 19. M c dù c hai phương pháp ưa n k t lu n v cơ b n gi ng nhau, nhưng m i phương pháp có m t cách th c hơi khác mô t các quy lu t cơ s c a phân gi i. Tiêu chuN Rayleigh thì r t ơn gi n: nó phát bi u r ng nh n c a m t v t i m ư c cho b i m t phân b g i là ĩa Airy hay phân b “jinc” (góc trên bên trái), có c c i chính gi a và m t lo t thùy bên. i v i v t ư c r i sáng ng u, b r ng c a thùy chính ư c cho b i 0.61λ/ A (trong ó λ là bư c sóng c a ánh sáng và A là khNu s c a nó). N u hai v t i m ư c r i sáng, thì nh t o ra là t ng c a s phân b mà m i v t s t o ra riêng r , và hai i m ư c cho là phân gi i khi c c ti u th nh t c a phân b này trùng v i c c i c a phân b kia. Cho nên hai i m cách nhau m t kho ng cách b ng v i n a kho ng cách phân gi i Rayleigh (hình trên, chính gi a) không ư c phân gi i, còn hai i m cách nhau úng b ng kho ng cách Rayleigh (hình trên, bên ph i) thì ư c phân gi i. 61 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Vi c nghiên c u các t bào s ng òi h i thu th p các photon hình thành nên hình nh. Vi c này thư ng ch ng d dàng gì – m t ph n vì các t bào r t nh , và các nhà nghiên c u thư ng b cu n hút vào ch m t vài phân t ánh d u huỳnh quang bên trong chúng. Nhưng cái làm cho công vi c khó khăn hơn là b t kì chùm ánh sáng nào có kích thư c h u h n u ch u s nhi u x và do ó b phân tán ra. i u này làm h n ch ư ng kính t i thi u c a m sáng hình thành t i tiêu i m c a th u kính và mang l i m t gi i h n cho phân gi i c a b t kì h hi n vi truy n th ng nào. Như ã ch rõ (m t cách c l p nhau) b i ngài Rayleigh và Ernst Abbe hơn 100 năm v trư c, ư ng kính t i thi u này x p x n a bư c sóng c a ánh sáng chi u vào. i v i kính hi n vi huỳnh quang thông thư ng, ư ng kính dó kho ng ch ng 200 nm, t c là các chi ti t nh hơn kích thư c này không th phân gi i b ng kĩ thu t này. Tiêu chuN Abbe mang l i m t phương pháp b sung mô t hi u su t c a m t kính hi n vi n phi huỳnh quang. Xét m t cách t nhi u x (bên dư i) tách ánh sáng t i (màu en) thành ba b c nhi u x : b c 0 (không nhi u x , màu ), b c + 1 (màu xanh dương) và b c – 1 (màu xanh lá). N u như cách t to thô, thì các b c nhi u x b nhi u x qua m t góc nh và truy n qua v t kính L1, hình thành nên các i m nhi u x h n ch trong cái g i là m t ph ng Fourier. Các i m này sau ó tái d ng nên nh b i th u kính L2 t o ra m t nh trong m t ho c camera. Tuy nhiên, n u như cách t r t nh m n, thì các b c nhi u x này b nhi u x qua m t góc l n ch có b c 0 truy n qua L2 và nh hình thành không bi u hi n d u v t c a cách t . Tiêu chuN Abbe phát bi u r ng n cách t m n nh t có th ư c ghi nh (tương ng v i các b c nhi u x chi truy n qua L2, như bi u di n trong hình) có chu kì 0.5λ/ A. C tiêu chuN Rayleigh và Abbe thư ng ư c cho là “gi i h n n nhi u x ” c a kĩ thu t ch p nh hi n vi, và chúng mang l i cách ti n l i nghĩ v nhi u kĩ thu t dùng thu ư c phân gi i n m ngoài gi i h n nhi u x . Vì th , hi n vi h c i m t v i hai thách th c có liên quan: rút trích thông tin t m t vùng càng nh càng t t; và rút ra thông tin càng nhi u càng t t t vùng nh ó. Làm công vi c th hai không d dàng gì vì m i phân t huỳnh quang s ch mang l i m t s h u h n photon trư c khi nó ng ng phát huỳnh quang. Do ó, i u quan tr ng là rút ra lư ng t i a thông tin t m i photon. V y thì có bao nhiêu bit thông tin có th th t s ư c trích ra t m t photon c thân ? Chúng ta có th nghĩ phân t huỳnh quang là m t máy phát g i tín hi u n máy nh n như ng nhân quang ch ng h n. Dư i nh ng i u ki n lí tư ng, vi c truy n m t bit thông tin yêu c u m t năng lư ng x p x v i nhi t c a môi trư ng (T) nhân v i h ng s Boltzmann (k). M t photon 62 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
ánh sáng màu xanh lá (như ánh sáng phát ra b i GFP) có năng lư ng 95 kT nhi t sinh h c bình thư ng, và vì v y có th , v nguyên t c, mang l i kho ng 95 bit thông tin. Tuy nhiên, ây là m t gi i h n r ng, và ch có hi u l c n u như thông tin có th gi i mã hoàn h o và n u như s photon phát ra là r t nh . Nó cũng òi h i chúng ta khai thác các tính ch t lư ng t c a photon t t hơn nhi u so v i thông thư ng có th . M t phân t huỳnh quang tiêu bi u s phát ra kho ng 104 photon trư c khi nó m t quang tính, cho nên ưa nh ng gi i h n này vào tính toán chúng ta có th hi v ng, trong i u ki n t t nh t, cho m t megabit thông tin t m i phân t huỳnh quang. ây cho th y hai cách thu ư c nhi u thông tin hơn t các h sinh h c: thi t k các h hi n vi hi u qu hơn khai thác t t hơn các photon s n có; và tăng cư ng s photon có s n b ng cách, ch ng h n, thi t k các lo i ch t ánh d u huỳnh quang m i. Phá v gi i h n Trong nh ng năm g n ây, các nhà nghiên c u ã có nh ng ti n b ngo n m c lư ng thông tin mà h có th thu ư c t các m u v t, nh s có m t c a nh ng kĩ thu t có th phá v gi i h n nhi u x . Nh ng kĩ thu t này có th c i thi n áng k phân gi i, nhưng cái giá c a vi c s d ng nhi u ánh sáng hơn trên m u v t là có th làm phá h ng nó. M t trong nh ng xu t th c ti n u tiên cho vi c chuy n d i ra kh i gi i h n nhi u x ư c th c hi n vào năm 1928 b i nhà v t lí ngư i Ireland Edward Synge, sau nh ng th o lu n c a ông cùng v i Albert Einstein. Synge xem xét cái x y ra n u như m t khe h nh hơn nhi u v kích thư c so v i bư c sóng c a ánh sáng truy n qua nó ư c t quá g n b m t c a m t v t thì khe tr ng gi a nó và b m t nh hơn bư c sóng này. Ông k t lu n r ng ánh sáng truy n qua khe h s không có kho ng cách nhi u x trư c khi ch m vào v t và truy n ngư c tr l i qua khe h : vì th nh ng c u trúc r t m n có th ư c phân gi i. Tuy nhiên, vi c ki m tra ý tư ng c a Synge v m t th c nghi m òi h i kh năng nh v r t chính xác khe h phía trên b m t và duy trì v trí c a nó trong khi s quét x y ra, i u không th th c hi n v i công ngh s n có trong nh ng năm 1920. Th t v y, mãi cho n năm 1972 thì Eric Ash và các ng s i h c College London m i ch ng minh ư c tính kh thi c a quan ni m này. Ash và Nichols s d ng vi sóng 3 cm, nh bư c sóng tương i dài c a chúng, làm gi m b t các yêu c u cơ gi i m t cách áng k . M t th p k n a trôi qua trư c khi Dieter Pohl t i i h c Basel Th y Sĩ áp d ng thành công phương pháp ó bư c sóng quang h c, khai sinh ra kĩ thu t ngày nay g i là hi n vi quang 63 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
h c quét trư ng g n (NSOM). NSOM thư ng thu ư c phN gi i kho ng 25 nm, nhưng vi c n truy trì u dò r t g n m u v t v n t ra m t thách th c kĩ thu t áng k . NSOM ch th t s thích h p cho vi c ch p nh nh ng c u trúc trên b m t c a t bào, tuy nhiên nó v n gi nhi u h a h n cho vi c ch p nh sinh h c. c bi t, phân gi i tuy t v i c a kĩ thu t ó khi n nó h t s c có giá tr cho vi c ch p nh các mi n micro trong màng t bào, và nó ã ư c s d ng cho k t qu t t i v i áp d ng này b i Michael Edidin và các c ng s t i i h c Johns Hopkins Mĩ. Vi c nghiên c u các mi n micro này, chúng còn ư c g i là bè màng t bào, là m t lĩnh v c nhi u thành qu ngo n m c c a sinh h c t bào trong nh ng năm qua vì nhi u quá trình truy n tín hi u t bào dư ng như i xuyên qua chúng. Vi khuN và nh ng virus n nh t nh, k c HIV, còn thu thêm ch t li u vào t bào qua các bè màng t bào, chúng thư ng có ư ng kính kho ng 40-200 nm, và hình như là b nh Alzheimer và m t s b nh liên quan t i prion (như nvCJD) còn i cùng v i tính ch t c a các mi n micro. Trong kính hi n vi suy y u phát x cư ng b c (STED), m t m gi i h n nhi u x (phía trên, bên trái) r i sáng v t và mang l i dân cư các tác nhân huỳnh quang b kích thích (phía dư i, bên trái). V t sau ó ư c r i sáng v i chùm tia làm suy y u hình bánh rán (phía trên, bên ph i), nó làm h t kích thích các tác nhân huỳnh quang trong “cánh” c a s phân bô và mang l i dân cư kích thích c c b cao (phía dư i, bên ph i). Các ngu n sáng sau ó t t i và m t nh phân gi i cao ư c hình thành b i các photon phát ra t vùng nh này c a tác nhân huỳnh quang. 64 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
NSOM là m t bi n th c a các kĩ thu t u dò quét như kính hi n vi l c nguyên t hay kính hi n vi quét chui h m ch không ph i kính hi n vi quang h c. M t khác, m t kĩ thu t siêu phân gi i d a trên kính hi n vi quang h c trư ng xa s có m t vài thu n l i so v i NSOM, ví d như cho phép ch p nh ba chi u, làm gi m th i gian ch p nh và làm cho v t d thao tác hơn. M t vài kĩ thu t như th ã xu t hi n trong nh ng năm qua, t t c chúng u khai thác m t s d ng quan h phi tuy n gi a s kích thích, hay tín hi u vào, và s huỳnh quang, hay tín hi u ra. nh ch p STED c a m t protein th n kinh trên màn c a m t t bào và ư c ánh d u v i ch t phát huỳnh quang. M t trong nh ng kĩ thu t này là kính hi n vi phát x kích thích và suy y u (STED), ư c phát tri n trong th p k qua b i Stefan Hell và các c ng s t i Vi n Hóa Sinh Lí h c Max Planck Göttingen, c. STED d a trên ý tư ng là phân gi i có th thu ư c v i kính hi n vi huỳnh quang có th c i thi n b ng cách thu h p b r ng hi u l c c a m sáng chi u x xu ng dư i gi i h n nhi u x sao cho s huỳnh quang dùng t o nên nh ch xu t hi n t m t vùng nh . Vi c này có th thu ư c b ng các ch t huỳnh quang hi n có v i chùm tia gi i h n nhi u x trong khi chùm tia th hai – có cùng bán kính ngoài nhưng có hình bánh rán – làm m t kích thích các tác nhân huỳnh quang trong ph n bên ngoài c a m gi i h n nhi u x thông qua s phát x cư ng b c, vì th ngăn c n chúng phát huỳnh quang. 65 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Vì s huỳnh quang thu ư c n t m t vùng nh hơn nhi u so v i gi i h n nhi u x , nên kĩ thu t này có th dùng thu ư c phân gi i ngang n kho ng 30 nm, g n v i cái có th thu ư c b ng NSOM. M t module STED có th dùng chung v i m t kính hi n vi ng tiêu quét bình thư ng, nó mang l i phân gi i ngang kho ng 70 nm, hi n nay có s n t phía nhà s n su t kính hi n vi Leica, và Hell và các c ng s ã công b h i năm ngoái trên t Science r ng kĩ thu t này mang l i m t cách áng giá kh o sát các mi n micro trong màng t bào. Kính hi n vi tái d ng stochastic (STORM) ho t ng trên cơ s th c t là các i m riêng r có th nh v b ng m t kính hi n vi v i chính xác cao hơn nhi u so v i hai di m có th phân gi i. Ví d , n u m t v t ch a ba phân t huỳnh quang quá g n nhau ư c phân gi i b ng m t kính hi n vi bình thư ng (a), thì chúng s t o ra m t nh ơn và l n (b). STORM tránh ư c i u này b ng cách t t t t c tác nhân huỳnh quang v i m t laser, r i m m t ch t ng u nhiên (c) v i m t xung laser khác r t ng n. Tác nhân huỳnh quang này khi ó có th ưc nh v chính xác, và thông tin này ư c lưu tr b ng m t máy tính. Quá trình ư c l p l i cho n khi, m t vài chu trình sau ó (d)-(f), t t c các tác nhân huỳnh quang khác ư c nh v và nh tr n v n có th ư c tái d ng (g). 66 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
STORM M t phương pháp hi n vi huỳnh quang n a có kh năng phân gi i tuy t v i là cái g i là kính hi n vi nh v quang ho t tính (PALM) hay kính hi n vi tái d ng stochastic (STORM). Thu t ng th nh t ư c s d ng b i Eric Betzig, làm vi c t i Tr i nghiên c u Janelia Farm Virginia, Mĩ, ngư i ã kh i xư ng ý tư ng ó vào năm 2006, còn thu t ng sau ư c s d ng b i Xiaowei Zhuang và các ng s t i i h c Harvard, ngư i ã tích c c phát tri n kĩ thu t ó trong hai năm qua. Phương pháp ó khai th c th c t là các v t ơn c có th nh ví v i chính xác cao hơn nhi u so v i ngư i ta có th tư ng tư ng ra hai v t. Công vi c nh v trí c a m t tác nhân huỳnh quang v cơ b n là gi ng như vi c xác nh tâm c a s phân b ánh sáng phát hi n. N u chúng ta phát hi n m t photon c thân phát ra t m t phân t huỳnh quang, thì v trí c a phân t ó có th ư c nh v c thù trong vòng 200 nm hay kho ng y, nhưng con s này tăng lên t ng t n u như có nhi u photon hơn ư c phát hi n. Trong không gian m t chi u, s phân tán c a s phân b ánh sáng rút l i b i m t h s n là s photon phát hi n tăng lên n2. Trong không gian hai chi u, vì th , s rút l i c hai chi u b i h s n yêu c u thêm n4 photon. Nói cách khác, vi c phát hi n 104 photon có th gi m bán kính mi ng vá xu ng 20 nm. STORM s d ng các tác nhân huỳnh quang có th b t m có th mang l i s t i en v i m t chùm tia (thư ng phát ra t m t laser ) và b t lên v i m t chùm th hai (thư ng là ánh sáng xanh). Trong lúc ch p nh, các tác nhân huỳnh quang ban u b t t i b ng laser và sau ó ư c r i sáng v i laser xanh lá nhanh n m c ch m t ph n nh c a ch t huỳnh quang tron trư ng nhìn ư c b t lên tr l i. K t qu là kho ng cách gi a các phân t ho t tính (huỳnh quang) l n hơn phân gi i gi i h n nhi u x và vì th chúng có th ưc nh v v i chính xác cao. M t chu trình t o ra m t nh r i rác c u thành t m t vài m nh v r t chính xác. Tuy nhiên, m i l n quá trình l p l i, thì m t ch n l a khác, ng u nhiên c a các phân t ư c b t m và m t nh r i rác tương t c a các i m ư c thu l i. B ng cách c ng nh ng hình nh r i rác này l i v i nhau, m t hình ành chen chúc h p lí cu i cùng ư c d ng lên. Kĩ thu t này có th áp d ng thu ư c phân gi i vào b c 20 nm và có th dùng t o ra hình nh ba chi u. Nhưng vì yêu c u c n có nhi u chu kì ch p nh, nên vi c thu ư c m t nh m t m t th i gian lâu và v t là i tư ng h ng ch u li u lư ng photon r t cao, chúng có th gây h i cho các t bào s ng. Nh ng b c nh áng chú ý c a phân t DNA ã thu dư c v i phương pháp này, nhưng trong hóa thân hi n nay c a nó, nó không ph i là m t ng c viên sáng giá cho vi c ch p nh t bào s ng. 67 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
B c nh này cho th y các c u trúc protein n i bào, như các vi ng (màu xanh) và các h c (màu ), phân gi i b ng STORM. Chi u sáng m t v t v i ánh sáng “có c u trúc” cho phép kính hi n vi toàn trư ng bình thư ng t ư c phân gi i kho ng 50 nm. (a) M t v t có c u trúc (t c là v t m u), nó quá m n ch p nh b ng kính hi n vi, ư c chi u sáng b ng ánh sáng m t ki u vân khác (b). S phát x thu ư c t các ch t huỳnh quang khi ó là s n phN c a hai vân này (c), nhưng cái mà kính hi n vi nhìn th y là t p h p các vân Moiré phân m gi i th p (d). Các vân này ch a thông tin t v t ban u, và lo t ba nh có c u trúc ch p nh ng hư ng khác nhau và m t s phép toán ơn gi n cho phép nh phân gi i cao c a vân ban u ư c tái d ng l i. M t tr ng i i v i STED và STORM là thi t b c n thi t cho nh ng kĩ thu t này ph c t p hơn nhi u so v i kính hi n vi truy n th ng. Tuy nhiên, cũng có th thu ư c siêu phân gi i v i nh ng c i ti n tương i nh i v i kính hi n vi toàn trư ng chuN nh m t kĩ thu t xu t n, b i Mats Gustafsson thu c i h c California San Francisco vào năm 2000 thư ng g i là kính 68 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
hi n vi r i sáng có c u trúc. Nó khai thác th c t là n u m t m u (ví d t o ra b i các ch t huỳnh quang trong m u v t) quá tinh vi ch p nh b ng m t chi c kính hi n vi chuN r i sáng b ng n ánh sáng m t ki u khác, thì m t t p h p vân Moiré phân gi i th p ư c t o ra có th nhìn th y v i kính hi n vi. M u vân này ch a thông tin v vân tinh t ban u. M t khi ã thu ư c vài ba nh Moiré, m i nh có vân r i sáng m t nh hư ng khác i v i m u v t, thì có th s d ng các kĩ thu t toán h c tái d ng l i nh c a v t phân gi i tăng cao thêm. Mc phân gi i ư c tăng thêm ph thu c vào vân s d ng chi u sáng v t – s d ng vân cách t sin cho phân gi i x p x g p hai l n m t kính hi n vi huỳnh quang thông thư ng. Tuy nhiên, n u chúng ta tăng cư ng chi u sáng n i m nơi ch t huỳnh quang ư c ưa vào bão hòa (nói cách khác, t t c các ch t huỳnh quang ư c r i sáng u nh y lên tr ng thái kích thích), thì chúng ta có th thu ư c phân gi i ngang kho ng 50 nm. nh tái d ng 3D c a actin cytoskeleton c a t bào b ch c u thu ư c b ng kính hi n vi r i sáng có c u trúc M t thu n l i c a kính hi n vi r i sáng có c u trúc là không c n s quét, làm ơn gi n hóa quang c . M t thu n l i n a là nó t n d ng các photon r t hi u qu , nghĩa là nó thao tác khá nh nhàng trên v t so v i a s kĩ thu t khác dùng cho vi c thu siêu phân gi i và vì th có th s d ng cho vi c ch p nh các t bào s ng. c bi t, t c và s ti n l i c a kính hi n vi r i sáng có c u trúc khi n nó lí tư ng cho các nghiên c u phân gi i cao c a nh ng quá trình ng l c h c trên màng t bào. 69 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Th p sáng đư ng đi ây ch là m t vài ti n b áng chú ý g n ây trong vi c ch c th ng các gi i h n nhi u x v t lí gây c n tr các phép o trong lĩnh v c sinh h c t bào. i u h p d n là nhu c u th c nghi m c a sinh h c ang chi ph i các bư c phát tri n trong công ngh ch p nh, còn nh ng ti n b trong công ngh ch p nh l i truy n c m h ng cho nh ng câu h i sinh h c m i. Nhi u trong s nh ng phát tri n này còn i song song v i m t cu c cách m ng x y ra trong tư tư ng sinh h c, nơi liên quan m t thi t v i các nhà v t lí. Chúng ta ang ch ng ki n m t s chuy n bi n trong b n ch t c a nghiên c u sinh h c khi nó m nh n m t cơ s lí thuy t y hơn cùng v i phép phân tích th c nghi m – d u hi u c thù c a n n v t lí hi n i. ây là kho ng th i gian hào h ng và thú v ho t ng trong nghiên c u sinh h c – và không ch i v i các nhà sinh h c ! S s ng làm thay i n n v t lí Kính hi n vi nh v quang ho t tính 70 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Vi c phát tri n các kĩ thu t ch p nh cho nh ng ng d ng trong sinh h c t bào thư ng b vư ng m c b i các t ch c h c thu t chính th c. Trong nhi u năm, s trao i qua l i gi a các môn h c v cơ b n là c l p như v t lí và sinh h c dư ng như không th nào n m trong khuôn kh phân lo i c a khoa h c chuyên nghi p th k 20. Tuy nhiên, cu i cùng, m t lòng nhi t huy t liên quan t i nhi u ngành h c thu t ã thu hút hai lĩnh v c này, em chúng l i v i nhau và xóa nhòa ranh gi i truy n th ng c a chúng. Nguyên nhân là các nhà sinh h c ngày nay i m t v i nh ng thách th c – như ch p nh ch c năng t bào – ch có th x lí v i nh ng công c lí thuy t và th c nghi m trư c nay ch ư c s d ng b i các nhà v t lí và kĩ sư. T m quan tr ng c a n n văn hóa a h c thu t chân th t cùng v i nh ng câu h i phát sinh t ngành khoa h c s s ng (cũng như phát sinh t nh ng ngành h c m i) ã thúc N xã h i ư c ào t o không ph i sinh y h c nâng cao hơn n a m i quan h ó v i các thành viên c a h . Vi n V t lí, ch ng h n, m i ây ã thành l p Nhóm V t lí Sinh h c ch v i m t m c ích trong suy nghĩ. Nhóm này s có cu c h p ra m t, g i tên là “V t lí b t g p sinh h c”, Oxford vào tháng 7 này. Các nhà v t lí a nghi có l t h i không bi t m i quan h ó mang l i bao nhiêu ích l i cho h - nhưng sinh h c th t ra làm phát sinh nhi u v n v t lí lí thú. Các ơn bào s ng l n lên, phân chia và ph n ng v i s kích thích theo m t ki u có th tiên oán, nên các b ph n c a chúng (như t bào ch t và bè màng) ph i ho t ng dư i nh ng b quy lu t xác nh. Nh ng quy lu t này ang n m ngoài kia ch ư c khám phá. Tương t , khi t p h p t bào ho t ng chung v i nha (như trong ch c năng não) thì hành vi t p th hay “bi u hi n” c a chúng còn có th , v nguyên t c, tiên oán ư c. Vi c tìm hi u nh ng quy lu t này nêu ra nh ng thách th c ghê g m s yêu c u các nhà sinh h c, nhà v t lí, nhà toán h c và kĩ sư ho t ng chung v i nhau. ng th i v i nh ng th thách lí thuy t cơ b n này, sinh h c t bào còn nêu ra trư c n n v t lí h c v i nh ng thách th c o lư ng ch y u. Sinh h c thư ng ư c cho là giàu có d li u, v i nh ng lư ng l n d li u có th x lí, nhưng v i s ph c t p kh ng khi p c a các v n ư c nêu ra, thì v n th t ra khá nghèo nàn d li u. Do ó, có nh ng nhu c u c p bách ph i phát tri n nh ng kĩ thu t o lư ng t t hơn dùng cho nghiên c u các ơn bào s ng l n các c m t bào dày c. Vi c ch p nh t bào mang l i m t l trình s óng góp cho nh ng h th ng thu th p d li u này và ng th i h p nh t các nhà v t lí, kĩ sư và nhà sinh h c trên con ư ng i t i m c tiêu chung. Tóm lư c: Kính hi n vi huỳnh quang siêu phân gi i Kính hi n vi huỳnh quang, s d ng kính hi n vi quang h c thu ư c nh ng c u trúc • sinh h c ư c ánh d u v i các phân t ch t huỳnh quang, là m t công c thi t y u s d ng b i các nhà sinh h c trong nghiên c u t bào. Các h kính hi n vi huỳnh quang bình thư ng b h n ch b i các hi u ng nhi u x , nên • phân gi i t t nh t chúng có th t ư c là x p x 200 nm. 71 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Tuy nhiên, nhi u c u trúc t bào h p d n và quan tr ng c p chi u dài nh hơn giá • tr này, và trong nh ng năm g n ây, các nhà sinh h c ã quay sang các nhà v t lí tìm s tr giúp trong vi c phá v gi i h n nhi u x này. K t qu là m t vài kĩ thu t m i l , trong ó có kính hi n vi suy y u phát x cư ng bác • (STED), kính hi n vi tái d ng stochastic (STORM) và kính hi n vi r i sáng có c u trúc, t t c chúng u có kh năng phân gi i nh ng c u trúc có b ngang nh c 50 nm. Tham kh o thêm v : Kính hi n vi huỳnh quang siêu phân gi i M Gustafsson 2005 Nonlinear structured illumination microscopy: Wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution Proc. atl Acad. Sci. USA 102 13081 B Huang et al. 2008 Three-dimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy Science 319 810 T Klar et al. 2000 Fluorescence microscopy with diffraction resolution broken by stimulated emission Proc. atl Acad. Sci. USA 97 8206 J J Sieber et al. 2007 Anatomy and dynamics of a supramolecular membrane protein cluster Science 317 1072 M Somekh et al. 2008 Resolution in structured illumination microscopy, a probabilistic approach J. Opt. Soc. Ameri. A at press www.iop.org/activity/groups/subject/bp Tác gi : Paul O’Shea là nhà sinh lí h c t i i h c Nottingham Anh, ngư i cùng v i kĩ sư quang h c Michael Somekh, lãnh o Vi n Sinh lí h c, Khoa h c ch p nh và Quang h c (IBIOS) c a trư ng . William Barnes làm vi c i h c Exeter, Anh. hiepkhachquay d ch Ngu n: Shedding light on life (Physics World, tháng 6/2008) 72 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay