Kỹ thuật mới tiết lộ cuộc sống bí ẩn của các tế bào

Trong những năm gần đây, kỹ thuật hình ảnh cryo-ET cho phép các nhà khoa học nhìn thấy các phân tử sinh học trong môi trường "bản địa" của chúng.

Không giống như các phương pháp cũ, lấy các protein và phân tử riêng lẻ ra để nghiên cứu, kỹ thuật mới mang lại một cái nhìn tổng thể về protein và các phân tử khác cũng như môi trường tế bào.

Các nhà nghiên cứu tìm đến cryo-ET không chỉ bị mê hoặc bởi những hình ảnh đẹp mà còn ngạc nhiên trước một số bí mật đang được tiết lộ - chẳng hạn như các thủ thuật mà vi khuẩn sử dụng để lây nhiễm tế bào hoặc cách các protein đột biến gây ra các bệnh thoái hóa thần kinh như Parkinson.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu dựa vào một kỹ thuật gọi là tinh thể học tia X để "chụp ảnh" các protein, virus và các thực thể sinh học khác. Đầu tiên, họ tìm cách kết tinh các phân tử thành các tinh thể tĩnh, có trật tự; sau đó, bắn các mẫu bằng chùm tia X cường độ cao. Kỹ thuật này đã giúp khám phá ra bản chất xoắn của DNA và cấu trúc của hơn 100.000 protein, nhưng có những hạn chế: rất khó kết tinh các phân tử, và không phải lúc nào cũng thực hiện được.

Các nhà khoa học khắc phục những nhược điểm này bằng kính hiển vi điện tử lạnh cryo-EM hay kỹ thuật chụp cấu trúc của các phân tử sinh học khi chúng bị cô lập và đóng băng. Kỹ thuật này ban đầu bị chế giễu vì tạo ra những hình ảnh quá mờ, nhưng những tiến bộ trong việc chuẩn bị mẫu và xử lý hình ảnh đã làm tăng độ phân giải đủ để chụp ảnh các phân tử riêng lẻ (kích thước khoảng 1,2 ångströms hay 1,2 × 10^-10 m).

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cryo-EM để giải cấu trúc hơn 10.000 phân tử sinh học. Và theo thời gian, các cải tiến về độ phân giải của kỹ thuật cryo-EM đã đặt tiền đề cho kỹ thuật cryo-ET.

Những người đề xướng cryo-ET muốn tìm kiếm một kỹ thuật có thể chụp ảnh các phân tử sinh học không chỉ chi tiết, mà còn trong đúng môi trường bên trong tế bào. Giống như cryo-EM, cryo-ET sử dụng kính hiển vi điện tử và một phương pháp chuẩn bị mẫu đặc biệt, gọi là quá trình thủy tinh hóa: làm lạnh nhanh nước xung quanh mẫu để phân tử đóng băng thành trạng thái giống như thủy tinh. Tuy nhiên, không giống như cryo-EM, yêu cầu các phân tử đơn lẻ, cryo-ET có thể chụp ảnh các phân tử trong đúng môi trường của chúng (in situ).

Với cryo-EM, các nhà khoa học tạo ra hình ảnh 3D bằng cách chụp ảnh 2D của rất nhiều phân tử bị cô lập ở các trạng thái khác nhau, và kết hợp các kết quả. Ngược lại, với cryo-ET, họ chụp nhiều ảnh của vật liệu mẫu, chứa đầy đủ các phân tử khác nhau trong đúng môi trường ban đầu của chúng, từ nhiều góc độ. Cách này giống như chụp ảnh cả một đám đông, chứ không phải chụp trực diện một người. Đây là lý do tại sao Wolfgang Baumeister, nhà lý sinh tại Viện Hóa sinh Max Planck, Martinsried, Đức, một trong những người tiên phong trong kỹ thuật cryo-ET, và các đồng nghiệp gọi nó là “xã hội học phân tử”.

Và hình ảnh cryo-ET cho thấy cách protein "sống". "Protein có tính xã hội - tại bất kỳ thời điểm nào, một protein nằm trong một phức hợp với khoảng mười loại protein khác. Sau khi xem những tương tác như vậy từ cryo-ET, tôi không thể quay lại nghiên cứu một loại protein một cách cô lập," Elizabeth Villa, nhà lý sinh tại Đại học California, San Diego, nói.

"Hiếm khi có thể gán các chức năng sinh học hoặc chức năng tế bào cho một phân tử riêng lẻ - các chức năng phát sinh từ sự tương tác của tất cả các phân tử sống trong môi trường tế bào," Baumeister lưu ý. Đó là lý do cryo-ET có tiềm năng khám phá nhiều hiểu biết mới về tế bào.

Phần lớn các nghiên cứu ban đầu với cryo-ET là về sinh vật nhân sơ: sinh vật đơn bào như vi khuẩn. Những tế bào này thường nhỏ hơn và mỏng hơn những tế bào phức tạp của sinh vật nhân thực.

Nhưng gần đây, các nhà khoa học bắt đầu chuyển sang hình ảnh các tế bào nhân thực nhờ sự ra đời của phương pháp cắt gọi là cryo-FIB, cho phép các nhà nghiên cứu cắt lát mỏng các tế bào trước khi đặt chúng dưới kính hiển vi điện tử. Baumeister và các đồng nghiệp đã sử dụng kết hợp cryo-FIB và cryo-ET để chụp ảnh cách các phân tử được sắp xếp trong vùng gần hạt nhân trong tế bào người. Nghiên cứu của họ tiết lộ cách mà các sợi mỏng cỡ nanomet, chưa từng thấy trước đây, hỗ trợ cấu trúc cho nhân, khiến nó trở thành một trong những bộ phận cứng nhất trong tế bào động vật.

Ngay cả với cryo-FIB, cryo-ET chỉ có thể chụp các phân đoạn rất nhỏ của tế bào nhân thực, có nghĩa là các nhà khoa học cần xác định chính xác các phân tử muốn chụp trong một môi trường tế bào rộng lớn và đông đúc. Một giải pháp là chọn ra các phân tử hoặc protein cần nghiên cứu và đánh dấu huỳnh quang để định vị, sau đó "zoom" vào các chi tiết nhỏ hơn bằng cryo-ET.

Villa và các đồng nghiệp của cô đã sử dụng kỹ thuật này để phân giải cấu trúc của LRRK2, một loại protein liên quan đến các dạng di truyền của bệnh Parkinson. Nghiên cứu của họ tiết lộ rằng phiên bản đột biến của protein này bị mắc kẹt vào các thành phần của bộ khung tế bào - các vi ống tạo thành một chuỗi xoắn kép xung quanh chúng. Phát hiện này gợi ý rằng LRRK2 bị đột biến có thể gây ra bệnh bằng cách chặn các phân tử vận chuyển "hàng hóa quan trọng" vào tế bào dọc theo các vi ống.

Nhóm Baumeister cũng sử dụng kỹ thuật tương tự để xem xét cách các protein liên quan đến các bệnh thoái hóa thần kinh, như Huntington hay bệnh thần kinh vận động ALS, tương tác thế nào với các thành phần của tế bào. Và họ phát hiện các khối protein gây độc thần kinh liên quan đến những căn bệnh khác nhau hoạt động rất khác nhau bên trong tế bào. Ví dụ, với bệnh Huntington, một dạng protein đột biến được gọi là Huntingtin khiến mạng lưới vận chuyển chất trong tế bào trở nên rối loạn. Trong khi với bệnh ALS, một loại protein bất thường kích hoạt bộ máy phân hủy protein trong tế bào, làm suy yếu quá trình sinh hóa của tế bào.

Trong tương lai, các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng những kỹ thuật như vậy để hiểu rõ hơn về cơ chế phát sinh bệnh và phương pháp trị liệu, bằng cách tạo ra các thuốc hoạt động ở cấp độ phân tử của tế bào.