“Trường quay Hollywood” trong khu rừng ở Würenlingen

Hai người sáng lập phim trường kì lạ này Luc Patthey và Hans Braun.

Chủ nhiệm dự án Luc Patthey lúc này đang ở trong một “phim trường” bề bộn thấu kính quang học, dụng cụ đo lường, vô số dây cáp và một ống thép mỏng. Ông mỉm cười: “Hollywood là đây. Chúng tôi đang làm phim, và những ngôi sao điện ảnh của chúng tôi chính là các phân tử và . Là người đứng đầu dự án, chịu trách nhiệm về các phần liên quan đến thiết bị quang học, thiết kế thí nghiệm và các chương trình nghiên cứu của cỗ máy laser tia X electron tự do SwissFEL, Luc Patthey rất tâm huyết với studio phim kì lạ này. “Với thời gian phơi sáng cực kỳ ngắn, chúng tôi theo dõi được những gì đang diễn ra ở cấp độ của các nguyên tử. Điều này có thể được thực hiện bằng các xung laser tia X siêu ngắn với tần số cao bắn qua ống thép và chiếu đèn flash lên các quá trình xảy ra trong nguyên tử”.

Với nhóm của mình sản xuất các bộ phim về thế giới hiển vi đầy hấp dẫn này, Luc Patthey kỳ vọng chúng sẽ góp phần tạo ra các phương thuốc hiệu quả hơn, các công nghệ năng lượng thân thiện với môi trường hơn, hay các vật liệu mới cho lĩnh vực công nghệ thông tin. “SwissFEL là một cỗ máy đầy quyền năng”, và Patthey đã tiết lộ cho chúng tôi những gì diễn ra ở hậu trường: Trước khi các xung X-quang chạm tới hai trạm đo, chúng phải đi qua vài ống chứa được lắp gương để hướng chúng theo một con đường nhất định.

Để chúng tôi thấy bề mặt của những chiếc gương này được mài nhẵn như thế nào so với gương thường, Luc Patthey so sánh: “Nếu Thụy Sĩ mà cũng phẳng như bề mặt của chúng thì dãy núi Alps sẽ chỉ cao vài milimet”.

Bước đi đầy táo bạo

Mọi thứ trong tòa nhà SwissFEL đều phải đảm bảo một độ chính xác vô cùng nghiêm ngặt. Các xung laser tia X được tạo ra trong một đường hầm dài 740 mét chạy qua khu rừng Würenlingen. Ở đây các electron được gia tốc gần đạt đến tốc độ ánh sáng và sau đó sẽ đi theo một đường slalom (dạng gần như zig zag) đến khi chúng phát ra tia X mà chúng ta mong muốn, nhấp nháy với tần số 1 đến 100 femtoseconds (10^-15 giây) một lần. Hans Braun chịu trách nhiệm về máy gia tốc, ông hồi tưởng lại thời điểm bắt đầu của quá trình táo bạo này. Năm 2018, khi nhóm của ông bắt đầu nghiên cứu sơ bộ cho SwissFEL, “vẫn chưa có gì rõ ràng liệu các tia X electron tự do làm nên điều gì hay không”. Cơ sở đầu tiên trên thế giới có thể kiểm chứng điều đó được đặt tại Stanford ở California, nhưng nó chưa đi vào hoạt động cho đến tận năm 2009.

Với SwissFEL, các nhà vật lý đã có thể chứng minh rằng chùm tia cần thiết với chất lượng cao cũng có thể được tạo ra với một máy gia tốc nhỏ hơn và ít tốn kém hơn so với máy gia tốc ở California. Cộng thêm với kinh nghiệm thu được khi xây dựng máy gia tốc Swiss Light Source SLS tại Thụy Sĩ, họ nhận ra rằng xung siêu ngắn cũng có thể được tạo ra với SLS, mặc dù với tần số thấp hơn đáng kể. “Đó là những thí nghiệm đáng tự hào”, Rafael Abela, người giám sát việc xây dựng SLS và SwissFEL cho biết: “Tại thời điểm đó, chúng tôi mất đến hai tuần để tính toán, đo lường trong khi sau này toàn bộ quá trình chỉ mất có 10 phút với cơ sở vật chất ở Stanford”.

Chiêm ngưỡng sự khởi đầu của thị giác

SwissFEL trị giá khoảng 275 triệu franc Thụy Sĩ - được tài trợ chủ yếu bởi chính phủ liên bang, với 30 triệu franc được cung cấp từ quỹ xổ số của bang Aargau. Số tiền đó chỉ bằng ngân sách sản xuất của một bộ phim Disney Cướp biển vùng Caribbean - Nơi tận cùng thế giới có Johnny Depp trong vai chính. Một trong số các bộ phim mà SwissFEL đã lên kế hoạch sẽ có sự góp mặt của một ngôi sao đặc biệt: Rhodopsin. Protein này có thể thu ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu hóa học. Trong mắt người, Rhodopsin đóng vai trò như một cảm biến ánh sáng, cho phép chúng ta nhìn thấy ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu. Bên trong phân tử rhodopsin là retinal, một dạng vitamin A. Trong bóng tối, phân tử retinal này có dạng uốn cong, nhưng khi tiếp nhận ánh sáng, nó sẽ dãn dài ra và làm thay đổi hình dạng của phân tử rhodopsin. Chính sự thay đổi này là dấu hiệu cho thấy mắt đã tiếp nhận ánh sáng. Các dây thần kinh truyền thông tin đến não, nơi cho ta hình ảnh về vật thể. Toàn bộ quá trình này được gọi là phản ứng căng của võng mạc, và đây là một trong những phản ứng sinh học nhanh nhất, chỉ xảy ra trong vòng 200 đến 500 femtoseconds. Với tia X, các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu chính xác sự kéo giãn này đã làm thay đổi rhodopsin như thế nào cũng như vai trò của bộ phận xung quanh phân tử võng mạc bên trong các rhodopsin.

Một cuộc rượt đuổi bằng xe hơi vào ban đêm là một thách thức cho đôi mắt. Thật vậy, protein rhodopsin trong mắt phải liên tục điều chỉnh theo điều kiện ánh sáng yếu. Bên trong rhodopsin là phân tử võng mạc. Ánh sáng rơi vào đó và bắt đầu lan tỏa, kích thích quá trình điều chỉnh. Thật không may cho kẻ rượt đuổi của chúng ta: rhodopsin của anh ta có cấu tạo không hoàn chỉnh và do đó gần như bị mù vào ban đêm.

Với SwissFEL, chúng ta có thể nhìn thấy quá trình cơ bản của thị giác. Và điều này cực kì hấp dẫn đối với Gebhard Schertler, trưởng phòng nghiên cứu sinh học và hóa học tại PSI với 40 năm kinh nghiệm làm việc trong lĩnh vực tương tự. Bị thu hút bởi ý tưởng, ông quyết định chuyển từ một trong những viện nghiên cứu nổi tiếng nhất thế giới ở Cambridge đến Thụy Sĩ. Là người đứng đầu nghiên cứu, ông sẽ quyết định thí nghiệm nào của mình sẽ được SwissFEL thực hiện: “Khi tôi đọc kịch bản, tôi sẽ biết mình có muốn bộ phim này hay không.... Ở một nhà hát, có lẽ tôi sẽ là giám đốc nghệ thuật.” Trong quá trình lựa chọn, Schertler muốn tập trung vào thì tương lai trong các “bộ phim”, mà diễn viên chính trong đó là các phần tử quan trọng trong việc kiểm tra tác dụng của thuốc.

Các phân tử diễn xuất

Jörg Standfuss là người cũng chuyển từ Cambridge sang PSI và phát triển công nghệ mới cho các thí nghiệm sinh học. Ông giải thích quá trình trên: “Vật liệu nền là những tinh thể nhỏ xíu màu tím, trong đó có chứa nhiều mẫu protein rhodopsin được đóng gói chặt cứng theo một trật tự”. Sau đó, từng tinh thể một sẽ được gửi đến một trong các phòng thí nghiệm của SwissFEL, ở đây tia X sẽ chiếu lên các tinh thể, và quá trình nói trên sẽ được máy quay ghi hình.

Vì xung tia X cường độ cao làm cho tinh thể phát nổ nên chúng ta luôn cần các mẫu mới. Thí nghiệm sẽ được thiết kế làm sao cho với mẫu tinh thể sau, retinal trong rhodopsin lại dãn nở hơn so với mẫu trước. Do đó, khi chúng ta ghép các trường đoạn riêng lẻ, chúng ta sẽ có kết quả là một bộ phim hoàn chỉnh. Bạn cần rất nhiều tinh thể giống hệt nhau, Jörg Standfuss cho biết. Bình thường, các protein sẽ được đông lạnh cho mục đích tính toán, nhưng diễn viên mà bị khóa trong một viên đá thì không thể nào cử động được. Vì vậy, một điều cực kỳ quan trọng là thí nghiệm phải diễn ra ở nhiệt độ phòng.

Từ đỉnh Pilatus đến đỉnh Jungfrau

Chiếc máy quay tia X tốc độ cao thực chất là một máy dò nặng tới 70 kg. Đây không phải là lần đầu tiên một công cụ như vậy được xây dựng tại PSI. Trước đó, một máy dò đã được chế tạo cho phòng thí nghiệm vật lý hạt CERN và nó đóng một vai trò quan trọng việc xác nhận hạt Higgs. Trên cơ sở đó, các nhà vật lý PSI đã phát triển một thiết bị dò cho SLS, mà ngày nay được sản xuất bởi công ty Dectris ở Baden, Thụy Sĩ và được sử dụng tại các cơ sở máy gia tốc (synchrotron) trên toàn thế giới. Tại các máy gia tốc, các hạt của chùm tia X chạm tới máy dò một cách lần lượt, nên mặc dù ở tốc độ cao, bạn vẫn hoàn toàn có thể đếm số lượng các photon một cách dễ dàng. Ngược lại ở SwissFEL, xung X-quang quá mạnh và quá ngắn đến nỗi chúng ta không thể làm như vậy, và do đó cần đo toàn bộ điện tích mà các photon tích tụ trong máy dò để tính toán số lượng photon.

Bernd Schmitt và nhóm của ông đã đặt tên cho cỗ máy SwissFEL là Jungfrau, sau khi họ đã phát triển Mythen và Pilatus cho SLS (Jungfrau, Mythen và Pilatus là 3 đỉnh núi của Thụy Sĩ). Nhà vật lý đùa rằng đây là cách cả thế giới biết nơi nào đã sáng chế ra chúng. Một người khác là Leonardo Sala chịu trách nhiệm ghi lại các cảnh quay. Số lượng dữ liệu khổng lồ là một thách thức rất lớn: mỗi thí nghiệm sẽ cho ra vài terabyte dữ liệu mà chỉ có thể được giải mã bằng các phương pháp phức tạp.

Từ nghiên cứu đến các loại thuốc mới

Đối tượng khán giả các bộ phim của SwissFEL cũng bao gồm cộng đồng nghiên cứu dược phẩm. Cái nhìn sâu sắc về hoạt tính của các phân tử sinh học có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá các loại thuốc mới. Gebhard Schertler tự tin cho biết. Để điều đó trở thành hiện thực, nhà sinh vật học cấu trúc Gebhard Schertler, nhà vật lý Rafael Abela, và cựu giám đốc nghiên cứu dược phẩm Michael Hennig đã thành lập một start-up ngay trong PSI với tên gọi là leadXpro. Kể từ năm 2015, leadXpro đã nghiên cứu một thứ gọi là protein màng, một loại protein bao gồm các rhodopsin đã đề cập ở trên. Các thành phần thuốc để chữa bệnh như ung thư, nhiễm trùng, viêm hoặc các bệnh võng mạc có thể gắn kết với protein màng.

Phân tử thuốc càng vừa vặn với các túi liên kết trong protein màng bao nhiêu thì thuốc sẽ có tác dụng nhanh, hiệu quả hơn và ít tác dụng phụ hơn bấy nhiêu. Cách tiếp cận hiện đại trong nghiên cứu thuốc giả định rằng người ta đã biết cấu trúc của các protein màng tế bào và liên kết của chúng với các loại thuốc tiềm năng mới. SwissFEL sẽ không còn khiến người ta phải giả định mà giúp chúng ta nhìn thấy trực tiếp chuyển động của protein màng. Hiện giờ, leadXpro đã ký hợp đồng với một số công ty dược phẩm lớn và cũng đã tiến hành các dự án riêng của mình trong nghiên cứu ung thư và kháng sinh. Hai năm sau khi thành lập, CEO Micheal Henning cho biết, công ty đã phát triển rất tốt, một phần nhờ vào sự hỗ trợ từ nguồn nhân lực đầy tài năng của Thụy Sĩ, từ cơ sở nghiên cứu quy mô lớn PSI và từ kính hiển vi điện tử tại Đại học Basel.