Tại sao chúng ta không nghĩ đến điều đó sớm hơn?

Một số tinh thể phải mất thời gian để phát triển. Nguồn: Nature

Cấu trúc của các phân tử hữu cơ nhỏ, cũng như những phân tử được dùng để tạo ra các loại thuốc, có thể được xác định thành phần trong vòng nhiều phút cho đến nhiều tuần. Để có được điều này, các nhà hóa hữu cơ phải cảm hơn một kỹ thuật từng được dùng để xác định một cách nhanh chóng các nguyên tử được sắp xếp trong các chùm electron như thế nào.

Kỹ thuật này có tên gọi là nhiễu xạ electron 3D, đã được nhiều nhà hóa học vô cơ và khoa học vật liệu dùng từ giữa những năm 2000 để xác định cấu trúc phân tử. Tuy nhiên các nhà hóa hữu cơ thì không áp dụng một cách rộng rãi bởi nó có thể làm biến dạng các phân tử.

Vào giữa tháng 10/2018, hai công bố xuất bản online đã miêu tả cách dùng kỹ thuật tương tự trên các loại thuốc, để xác định cấu trúc của các phân tử hữu cơ nhỏ một cách nhanh hơn, dễ dàng hơn so với những kỹ thuật hiện hành.

“Tôi nghĩ có nhiều người tự gõ vào đầu và nói ‘tại sao chúng ra không làm điều đó sớm hơn’”, theo John Rubinstein – một nhà sinh học cấu trúc tại trường đại học Toronto và sử dụng các kỹ thuật liên quan để nghiên cứu các phân tử lớn hơn, ví dụ như protein.

Các phương pháp hiện tại dùng để xác định cấu trúc của các phân tử nhỏ đòi hỏi các nhà khoa học “nuôi nấng” những tinh thể để phân tích, một quá trình tỉ mỉ có thể mất vài tuần hay vài tháng. “Rào cản thực tế cho nghiên cứu mà thi thoảng các nhà nghiên cứu gặp phải thì bây giờ, về cơ bản đã được loại bỏ”, Rubinstein nhận xét.

Hiểu viết về cách các hạt nhân được sắp xếp trong một phân tử là cần thiết để hiểu chức năng của vật liệu. Ví dụ các nhà hóa học đang nghiên cứu để phát triển các loại thuốc mới phụ thuộc vào cấu trúc này để hiểu thuốc đó sẽ tác động đến cơ thể con người như thế nào và có thể chỉnh sửa như thế nào để kết chúng lại, đem đến nhiều hiệu quả hơn cho phương thức điều trị đích hay giảm thiểu các tác dụng phụ.

Lịch sử phát triển lâu dài

Tinh thể học tia X, một kỹ thuật thường được sử dụng trong nhiều thập kỷ để xác định sự sắp xếp của các thành phần nhỏ nhưng phải mất tới vài tuần mà không phải bao giờ cũng đem đến thành công.

Đầu tiên, các nhà khoa học cần đưa các phân tử vào trạng thái kết tinh. Sau đó họ đưa tinh thể này vào một chùm tia X. Khi đó các tia X làm nhiễu xạ cấu trúc mạng tinh thể đó và một máy dò đặc biệt ghi nhận mẫu kết quả.

Các nhà khoa học dùng phần mềm để phân tích mẫu này và nghiên cứu cấu trúc của phân tử.

Khi đó, các thách thức nảy sinh bởi nhiễu xạ tia X chỉ hoạt động hiệu quả với các tinh thể lớn, và phải mất vài tuần, thậm chí vài tháng để hình thành. Và một số phân tử quá khó để kết tinh và không thể phân tích chúng theo cách này.

Một giải pháp là thay thế tia X với những chùm eletron vì chúng có thể tạo ra các mẫu nhiễu xạ trên những tinh thể nhỏ hơn. Trong năm 2007 và 2008, các nhà tinh thể học tại trường đại học Johannes Gutenberg ở Mainz (Đức) và trường đại học Stockholm (Thụy Điển) phát triển các phương pháp đầu tiên để dò các cấu trúc 3D của các phân tử một cách tự động bằng việc dử dụng nhiễu xạ electron. Trước đây, các nhà khoa học đã phải kết hợp các mẫu nhiễu xạ 2 D một cách tỉ mỉ để tạo ra cấu trúc 3D như thế này.

Đầu tiên, kỹ thuật này dùng trên phần lớn các cấu trúc vô cơ, vốn không bị bức xạ ảnh hưởng như các phân tử hữu cơ. Sau đó vào năm 2013, Tamir Gonen – một nhà sinh học cấu trúc tại trường đại học California, Los Angeles, đã phát triển một phiên bản nhiễu xạ electron mang tên MicroED để có thể dùng dược với các phân tử sinh học lớn hơn như protein.

Hiện giờ, với hai công bố mới xuất bản, nhóm nghiên cứu của Gonen và nhóm khác từ Thụy Sỹ đã cho thấy nhiễu xạ electron có thể được sử dụng để tìm ra cấu trúc của các phân tử hữu cơ nhỏ hơn. Đây không hẳn là lần đầu tiên làm được điều đó, Xiaodong Zou – nhà hóa học cấu trúc ở trường đại học Stockholm nói nhưng điều quan trọng là phương pháp phân tích đó diễn ra nhanh và dễ áp dụng như thế nào.

Những công trình “Eureka”

Trong bài báo đầu tiên, xuất bản vào ngày 16/10 trên Angewandte Chemie International Edition, nhóm nghiên cứu do nhà tinh thể học Tim Grüne tại Viện nghiên cứu Paul Scherrer ở Thụy Sỹ dẫn dắt, đã tường thuật sự sáng tạo của một thiết bị mẫu có khả năng tìm cấu trúc của các phân tử nhỏ, sử dụng chùm tia từ một kính hiển vi điện tử và một máy dò tương thích.

Các mẫu nhiễu xạ này được phân tích bằng phần mềm chuyên về tinh thể tia X.

“Tất cả được tạo ra từ những nghiên cứu trước đó”, Grüne nói. “Trong nghiên cứu này, chúng tôi chỉ tích hợp chúng một cách trơn tru trong hệ này.”

Họ đã dùng nó để tìm ra cấu trúc của thuốc paracetamol giảm đau từ các tinh thể nhỏ bé được hình thành từ bột bên trong vỏ nang. Các tinh thể này chỉ có độ dài vài micro mét – nhỏ hơn nhiều so với tinh thể có thể được phân tích bằng nhiễu xạ tia X.

Trong bài báo thứ hai, một ấn bản trên ChemRxiv xuất bản vào 17/10, nhóm của Gonen đã phỏng theo kỹ thuật MicroED để giải quyết cấu trúc của các phân tử nhỏ thay vì các protein.

Gonen cho biết việc chuyển đổi này “ít quan trọng”. Cải tiến chính liên quan đến việc chuẩn bị các mẫu thử, ông nói: do rất mong manh nên các protein cần được nâng niu và trong trường hợp này, tất cả những gì ông làm là nghiền bột dược phẩm. Nhóm nghiên cứu đã quyết định dùng phiên bản cải tiến

Cấu trúc 3D của ibuprofen. Nguồn: Jones, C. G. et al. Preprint at ChemRxiv https://doi.org/10.26434/chemrxiv.7215332.v1 (2018).

MicroED này để xác định cấu trúc của hạt bột dược phẩm, bao gồm ibuprofen và carbamazepine.

Các tinh thể này chỉ có kích cỡ vài 100 nano mét – một tỷ lần nhỏ hơn so với kích cỡ của những tinh thể có thể dùng kỹ thuật tinh thể học tia X phân tích — và cấu trúc của chúng có thể được xác định dưới 30 phút.

Rubinstein nói điều ngạc nhiên là kỹ thuật này sẵn sàng áp dụng trong những lĩnh vực khác. “Đây thực sự là giải pháp xuất sắc quy tụ tất cả trong một cách”.

Tất cả chỉ bắt đầu khi ông bắt đầu trao đổi với các nhà hóa học, bởi vì ông bắt đầu nhận thấy là họ phải vật lộn với việc "nuôi" tinh thể lớn hơn để có thể phân tích các phân tử nhỏ, điều đó khiến ông nhận ra minh có một giải pháp cho họ. “Là một nhà tinh thể học protein, tôi chưa bao giờ nghĩ một cách cẩn trọng về các phân tử nhỏ. Với chúng tôi, các phân tử nhỏ là những điều chúng tôi cố gắng ‘tống khứ’ khỏi tầm mắt”.

Những giới hạn

Kỹ thuật này đem lại rất nhiều sự phấn khích nhưng bản thân nó cũng có một số giới hạn nhất định. Ví dụ cấu trúc 3D của một số phân tử là kết quả trong các phân tử đối xứng gương có thể có những hiệu ứng hóa học khác nhau nhưng thách thức là phân biệt các cấu trúc sử dụng nhiễu xạ eletron.

Sự phân biệt của các cấu trúc đối xứng gương này có thể đòi hỏi phải phát triển phần mềm phân tích nhiều hơn nữa, Grüne nói.

Một ứng dụng rõ nét cho các tinh thể học electron là làm sáng tỏ những ứng cử viên tiềm năng để phát triển thuốc. Nhưng Gonen cho biết, kỹ thuật này có thể có những ứng dụng khác, như pháp y, khi cần nhận diện nhanh một vật liệu quan trọng.

Còn Grüne lạc quan về việc công trình của ông sẽ khuyến khích những sản phẩm phần cứng để tạo ra những thiết bị mới chuyên cho tinh thể học electron. Tại thời điểm này, các nhà nghiên cứu có xu hướng phụ thuộc vào kính hiển vi điện tử để tạo ra các chùm electron nhưng chúng lại rất đắt đỏ và bao gồm nhiều thành phần phức tạp như thấu kính, không cần thiết cho nhiễu xạ electron. Chúng không được tối ưu để làm việc với với những phần của thiết bị phân tích. Với một thiết bị được cấu tạo cho mục tiêu này, ông nói, “là một thứ có thể giải quyết vấn đề các cấu trúc”.