Bước tiến quan trọng về kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải

Các nhà khoa học dẫn đầu là Nobel Stefan Hell tại Viện Nghiên cứu Y học Max Planck ở Heidelberg đã phát triển một kính hiển vi siêu phân giải với độ chính xác không-thời gian là một nanomet trên mili giây. Một phiên bản cải tiến của kính hiển vi siêu phân giải MINFLUX được giới thiệu gần đây của họ cho phép quan sát các chuyển động nhỏ của các protein đơn lẻ ở mức độ chi tiết chưa từng có: chuyển động từng bước của protein vận động kinesin-1 khi nó di chuyển dọc theo các vi ống trong lúc tiêu thụ ATP. Công trình nêu bật sức mạnh của MINFLUX như một công cụ mới mang tính cách mạng để quan sát những thay đổi về hình dạng ở kích thước nanomet trong protein.

Phép đo chi tiết về cách thức protein động cơ kinesin-1 (màu đỏ) di chuyển trên các vi ống (màu trắng). Việc theo dõi chuyển động 2D của các bộ điều chỉnh độ sáng kinesin-1 riêng lẻ (màu được mã hóa trên bản phác thảo) ở nồng độ ATP sinh lý cho thấy các chi tiết chính về cách thức protein di chuyển trong các làn riêng lẻ. MINFLUX tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi gần protofilament của protein vận động trên vi ống (được phác thảo bằng màu xám). © MPI cho Nghiên cứu Y học.

Làm sáng tỏ các hoạt động bên trong của một tế bào đòi hỏi kiến thức về hóa sinh của từng protein riêng lẻ. Đo lường những thay đổi nhỏ về vị trí và hình dạng của chúng là thách thức chính ở đây. Kính hiển vi huỳnh quang, đặc biệt là kính hiển vi siêu phân giải (tức là kính hiển vi nano) đã trở nên không thể thiếu trong lĩnh vực mới nổi gần đây. MINFLUX, hệ thống quang học nano huỳnh quang được giới thiệu gần đây, đã đạt được độ phân giải không gian từ một đến vài nanomet: kích thước của các phân tử hữu cơ nhỏ. Nhưng để đưa sự hiểu biết của chúng ta về sinh lý học tế bào phân tử lên một tầm cao mới đòi hỏi các quan sát ở độ phân giải không gian-thời gian cao hơn nữa.

Khi nhóm của Stefan Hell lần đầu tiên trình bày MINFLUX vào năm 2016, nó đã được sử dụng để theo dõi các protein được đánh dấu huỳnh quang trong các tế bào. Tuy nhiên, những chuyển động này là ngẫu nhiên và quá trình theo dõi có độ chính xác cỡ hàng chục nanomet. Nghiên cứu của họ là nghiên cứu đầu tiên áp dụng khả năng phân giải của MINFLUX đối với những thay đổi về hình dạng của protein, cụ thể là protein vận động kinesin-1. Để làm được điều này, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Y khoa Max Planck đã phát triển một phiên bản MINFLUX mới để theo dõi các phân tử huỳnh quang đơn lẻ.

Tất cả các phương pháp đã được thiết lập để đo động lực học của protein đều có những hạn chế nghiêm trọng, cản trở khả năng của chúng trong việc giải quyết phạm vi (bổ trợ-phụ) nanomet/(phụ) mili giây cực kỳ quan trọng. Một số cung cấp độ phân giải không gian cao, xuống tới vài nanomet, nhưng không thể theo dõi các thay đổi đủ nhanh. Những loại khác có độ phân giải thời gian cao nhưng yêu cầu ghi nhãn bằng các hạt lớn hơn 2 đến 3 bậc so với protein đang được nghiên cứu. Vì chức năng của protein có thể bị ảnh hưởng bởi một hạt có kích thước này, nên các nghiên cứu sử dụng hạt vẫn còn nhiều câu hỏi bỏ ngỏ.

HUỲNH QUANG TỬ MỘT PHÂN TỬ ĐƠN

Tuy nhiên, MINFLUX chỉ yêu cầu một phân tử huỳnh quang có kích thước 1nm tiêu chuẩn làm nhãn gắn vào protein, và do đó có thể cung cấp cả độ phân giải và khả năng xâm lấn tối thiểu cần thiết trong nghiên cứu động lực học của protein tự nhiên. Otto Wolff, nghiên cứu sinh chương trình tiến sỹ trong nhóm cho biết: “Một thách thức nằm ở việc chế tạo kính hiển vi MINFLUX hoạt động gần với giới hạn lý thuyết và được bảo vệ khỏi tiếng ồn môi trường”. Lukas Scheiderer, đồng nghiệp của ông cho biết thêm: “Việc thiết kế các đầu dò không ảnh hưởng đến chức năng của protein nhưng vẫn tiết lộ cơ chế sinh học là một việc khác”.

Kính hiển vi MINFLUX mà các nhà nghiên cứu hiện nay giới thiệu có thể ghi lại các chuyển động của protein với độ chính xác không gian thời gian lên tới 1,7 nanomet trên mili giây. Nó chỉ yêu cầu phát hiện khoảng 20 photon phát ra từ phân tử huỳnh quang. Stefan Hell cho biết: “Tôi nghĩ rằng chúng tôi đang mở ra một chương mới trong nghiên cứu về động lực học của từng protein riêng lẻ và cách chúng thay đổi hình dạng trong quá trình hoạt động. Sự kết hợp giữa độ phân giải không gian và thời gian cao do MINFLUX cung cấp sẽ cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu các phân tử sinh học hơn bao giờ hết”.

GIẢI QUYẾT CHUYỂN ĐỘNG BƯỚC CỦA KINESIN-1 BẰNG ATP TRONG ĐIỀU KIỆN SINH LÝ

Kinesin-1 đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển hàng hóa khắp các tế bào của chúng ta và các đột biến của protein là nguyên nhân gây ra một số bệnh. Kinesin-1 thực sự 'đi bộ' dọc theo các sợi (vi ống) bao phủ các tế bào của chúng ta giống như một mạng lưới đường phố. Người ta có thể tưởng tượng chuyển động này theo nghĩa đen là 'bước', vì protein có hai 'đầu' luân phiên thay đổi vị trí của chúng trên vi ống. Chuyển động này thường xảy ra dọc theo một trong số 13 nguyên mẫu tạo thành vi ống và được thúc đẩy bằng cách phân tách ATP (adenosine triphosphate), nơi mà cung cấp năng lượng chính của tế bào.

Chỉ sử dụng một fluorophore duy nhất để đánh dấu kinesin-1, các nhà khoa học đã ghi lại 16nm thông thường, các bước của các đầu riêng lẻ cũng như các bước phụ/con 8nm, với độ phân giải không gian thời gian nanomet/mili giây. Kết quả của họ đã chứng minh rằng ATP được hấp thụ khi một đầu duy nhất được liên kết với vi ống, nhưng quá trình thủy phân ATP xảy ra khi cả hai đầu được liên kết. Nó cũng tiết lộ rằng bước này liên quan đến sự quay của 'thân' protein, một phần của phân tử kinesin giữ hàng hóa. Độ phân giải không gian của MINFLUX cũng cho thấy sự quay của đầu trong giai đoạn đầu của mỗi bước. Đáng chú ý là, những phát hiện này được thực hiện bằng cách sử dụng nồng độ sinh lý của ATP, điều mà cho đến nay không thể thực hiện được với các nhãn huỳnh quang nhỏ.

TIỀM NĂNG TƯƠNG LAI TRONG VIỆC KHÁM PHÁ ĐỘNG LỰC HỌC PROTEIN

Jessica Matthias, một nhà khoa học, Sau tiến sỹ trước đây thuộc nhóm của Hell, người hiện đang khám phá các ứng dụng của MINFLUX cho nhiều câu hỏi sinh học, cho biết thêm: “Tôi rất phấn khích để xem MINFLUX sẽ đưa chúng ta đến đâu. Nó bổ sung thêm một khía cạnh khác cho nghiên cứu về cách thức hoạt động của protein. Điều này có thể giúp chúng tôi hiểu cơ chế đằng sau nhiều căn bệnh và cuối cùng góp phần vào sự phát triển của các liệu pháp điều trị”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.