Cơ thể chúng ta đang hoạt động và chứa đầy các protein bị kẹt trong màng mỡ hoặc trôi nổi trong và ngoài các tế bào nước. Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã nắm bắt được điệu nhảy giữa hai loại vật chất này – một điệu nhảy có protein và chất béo (Lipid) khi chúng di chuyển trong tế bào.
Qian Chen, nhà khoa học và kỹ sư vật liệu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (UIUC), người đã lãnh đạo nhóm và mô tả công việc của họ là ‘làm phim’, cho biết: “Chúng tôi đang tiến xa hơn việc chụp những bức ảnh chụp nhanh đơn lẻ, mang lại cấu trúc chứ không phải động lực, để liên tục ghi lại các phân tử trong nước, trạng thái nguyên gốc của chúng”.
“Chúng tôi thực sự có thể thấy các protein thay đổi cấu hình của chúng như thế nào và trong trường hợp này là toàn bộ cấu trúc tự lắp ráp protein-lipid dao động như thế nào theo thời gian”, nhà khoa học này nói thêm.
Bằng cách điều chỉnh một kỹ thuật hình ảnh được sử dụng rộng rãi gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua, nhóm của Chen đã nắm bắt được hoạt động sống động của các ‘đĩa nano’ protein màng trong chất lỏng. Những đĩa nano này bao gồm các protein được nhúng trong một lớp lipid kép giống với màng tế bào nơi chúng thường được tìm thấy.
Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho phương pháp của họ là “quay phim điện tử” và xác thực dữ liệu video bằng cách so sánh nó với các mô hình máy tính cấp nguyên tử về cách các phân tử chuyển động dựa trên các định luật vật lý.
Người ta cho rằng sự chuyển động của các protein gắn trên màng khá hạn chế do lipid giữ chúng ở đúng vị trí. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhận thấy sự tương tác giữa protein và lipid xảy ra ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với những gì có thể nghĩ trước đây.
Protein màng là người gác cổng, cảm biến và máy thu tín hiệu của tế bào, vì vậy kỹ thuật này có thể mang lại những tiến bộ to lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về cách chúng hoạt động.
Với các kỹ thuật hiện có, protein thường được đông lạnh nhanh hoặc kết tinh để chúng không di chuyển và làm mờ hình ảnh hoặc bị phá hủy bởi tia X hoặc chùm điện tử được sử dụng để chụp ảnh chúng.
Điều này mang lại một bức tranh vô hồn về một loại protein tĩnh thường gấp và uốn cong, khiến các nhà khoa học phải suy ra cách nó tương tác với các phân tử khác dựa trên cấu trúc của nó.
Ngoài ra, một số kỹ thuật hình ảnh sử dụng thẻ phân tử huỳnh quang để theo dõi các phân tử khi chúng di chuyển, thay vì quan sát trực tiếp protein.
Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã lồng một giọt nước vào bên trong hai tấm graphene mỏng để bảo vệ nó khỏi chân không của kính hiển vi điện tử. Lơ lửng trong giọt nước là các đĩa nano chứa protein và lipid không được đánh dấu mà nhóm nghiên cứu thấy chúng đang “khiêu vũ” cùng nhau giống như trong môi trường nước tự nhiên của chúng.
Các nhà khoa học vật liệu đã cố gắng ít nhất một thập kỷ để quay phim hoạt động của các phân tử sinh học trong chất lỏng, nhưng họ không thể quan sát rõ ràng động lực học liên tục của protein.
Với một số điều chỉnh cẩn thận trong phương pháp tiếp cận, Chen và các đồng nghiệp đã chụp ảnh các tổ hợp protein-lipid của họ trong thời gian thực và trong vài phút chứ không phải micro giây.
Điều quan trọng là họ đã làm chậm tốc độ các electron thâm nhập vào mẫu và hoạt động trên giàn graphene để tạo màng thành công cho phức hợp protein-lipid đang hoạt động.
John Smith, sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật vật liệu UIUC, tác giả đầu tiên của bài báo cho biết : “Hiện tại, đây thực sự là cách thử nghiệm duy nhất để quay loại chuyển động này theo thời gian”.
“Cuộc sống ở dạng lỏng và nó đang chuyển động. Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu những chi tiết nhỏ nhất của mối liên hệ đó theo cách thử nghiệm”.
Đối với những nỗ lực khác, các kỹ thuật hình ảnh được cải tiến đang tiết lộ những chi tiết đáng kinh ngạc về tất cả các loại diễn biến vi mô – từ việc xem lớp vỏ bên ngoài của virus hình thành như thế nào cho đến việc nắm bắt các protein ngay lập tức sụp đổ thành cục trong các bệnh như Alzheimer.
Thêm trí tuệ nhân tạo vào hỗn hợp để dự đoán hình dạng 3D của gần như mọi loại protein được khoa học biết đến và có vẻ như một kỷ nguyên nghiên cứu sinh học mới đã được mở ra.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
Hoàng Nam biên dịch.
Tân Thế Kỷ *Truyền Thống – Nhân Văn – Trung Thực*
Xem thêm:
