Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ và trường đại học California, Berkeley vừa tạo ra một kiểu hiển thị kích thước nano, cho phép quan sát theo cách mới ở cấp độ nguyên tử các mẫu hóa học và sinh học khó nghiên cứu.

Công trình nghiên cứu của họ có thể giúp nhìn thấy các chi tiết mới về cấu trúc cho một loạt các phân tử đầy thách thức - bao gồm các hợp chất hóa học phức tạp và các loại thuốc tiềm năng mới - bằng cách ổn định chúng bên trong các cấu trúc mạnh mẽ được gọi là khung kim loại hữu cơ (MOF).

Các nhà nghiên cứu sử dụng một loạt các phân tử khác nhac, liên kết hóa học bên trong các khung MOF này, và sau đó sử dụng kỹ thuật X-quang để xác định cấu trúc phân tử chính xác của các mẫu trong MOF.

Các mẫu rất đa dạng, từ một rượu đơn giản đến một hormone thực vật phức tạp, và phương pháp mới cho phép các nhà nghiên cứu có thể xác định hoàn chỉnh cấu trúc của một phân tử từ một tinh thể MOF đơn có chứa các phân tử mẫu trong có lỗ rỗng của nó.

Khung MOF trong nghiên cứu này - giống hệt nhau và dễ dàng sản xuất với số lượng lớn - cung cấp một thứ giống như xương sống cho các phân tử mẫu, giúp cố định chúng cho các nghiên cứu X-quang – nếu không có các khung này thì các phân tử có thể lung lay và khó để ổn định. Các nhà nghiên cứu chuẩn bị mẫu bằng cách nhúng khung MOF vào dung dịch có chứa các hỗn hợp phân tử khác nhau và sau đó làm nóng chúng cho đến khi chúng kết tinh.

"Chúng tôi muốn chứng minh rằng bất kỳ phân tử nào trong các phân tử này, cho dù phức tạp ra sao, cũng có thể tích hợp và có thể xác định cấu trúc bên trong khung MOF", Omar Yaghi, một nhà khoa học vật liệu tại Berkeley Lab và là giáo sư hóa học tại trường đại học California, Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.

Khung MOF cũng có sự “thuận tay” đặc biệt, hay còn gọi là sự đối xứng - giống như một người thuận tay trái so với một người thuận tay phải - liên kết một cách có chọn lọc với các mẫu phân tử cũng có sự thuận tay này. Sự khác biệt về sự thuận tay của một phân tử đặc biệt quan trọng đối với dược phẩm, vì nó có nghĩa là sự khác biệt giữa một loại thuốc và chất độc.

"Đây là một trong những điều mong muốn: làm thế nào để kết tinh các phân tử phức tạp, và xác định tính đối xứng của chúng",Yaghi cho biết.

Seungkyu Lee và Eugene A. Kapustin, 2 nhà nghiên cứu tại Berkeley Lab cho biết, những protein khó nghiên cứu, chẳng hạn như những protein quan trọng đối với sự phát triển thuốc, là mục tiêu ưu tiên cao cho kỹ thuật mới này.

"Chúng tôi đang nhắm tới những phân tử mà chưa bao giờ được kết tinh trước đây", Kapustin cho biết. "Đó là bước tiếp theo của chúng tôi. Vì vậy, chúng tôi không chỉ hiển thị sự sắp xếp của các nguyên tử, mà còn cho thấy sự đối xứng của các phân tử, là thứ mà các công ty dược phẩm đang quan tâm".

Một trong những phương pháp tốt nhất để nghiên cứu cấu trúc 3-D của bất kỳ phân tử nào với độ chi tiết ở cấp độ nguyên tử là tạo nó thành một tinh thể. Sau đó, các nhà nghiên cứu nhắm ánh sáng X-quang thật mạnh vào tinh thể, tạo ra một kiểu bóng - giống như ánh sáng nhấp nháy trên bóng đèn tròn trong các sàn nhảy. Các kiểu bóng có chức năng như một dấu vân tay, lập bản đồ đầy đủ cấu trúc 3-D của phân tử.

Mặc dù vậy, một số phân tử rất khó để hình thành các tinh thể, và trong một số trường hợp, quá trình kết tinh một phân tử duy nhất có thể mất nhiều năm trời nỗ lực và nhiều chi phí.

"Để kết tinh một phân tử thường sử dụng phương pháp sai và sửa", Yaghi cho biết. "Tất cả các nhà hóa học và sinh vật học đều phải sử dụng quá trình này Nhưng trong vật liệu MOF này bạn không cần tất cả những điều đó – bởi vì nó bẫy phân tử và sắp xếp nó. Đó là một cách để vượt qua phương pháp sai và sửa trong tinh thể hóa".

Có thể test các loại MOF khác nhau, với kích thước lỗ rỗng khác nhau, để tìm ra loại có hiệu quả nhất với từng loại mẫu khác nhau, Lee cho biết.

Quan trọng là, Khung MOF trong nghiên cứu mới nhất này dường như không làm sai lệch cấu trúc nguyên vẹn, tự nhiên của các phân tử. Các nhà nghiên cứu cho rằng, có thể xác định cấu trúc 3-D hoàn chỉnh của một phân tử ngay cả khi các mẫu chỉ lấp đầy khoảng 30 phần trăm các lỗ rỗng của MOF.

Tổng cộng, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu 16 phân tử khác nhau liên kết bên trong các lỗ rỗng của khung MOF, trong đó có một hormone thực vật gọi là axit jasmonic có cấu trúc đối xứng chưa bao giờ được xác định trực tiếp trước đó, hormone thực vật khác gọi là giberelin, methanol, và các axit khác và rượu.

Kapustin cho biết, các kim loại trong khung MOF thât sự có thể nâng cao chất lượng của hình ảnh X-quang, và trong một trường hợp, kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt được hai hormon thực vật gần như giống hệt nhau dựa trên sự khác biệt trong một liên kết đơn.

Các nhà nghiên cứu có thể nhìn chi tiết cấu trúc ở tỷ lệ phân trăm nanomet - nhỏ hơn đường kính của một số nguyên tử. "Bạn có thể nhìn thấy với độ chính xác như vậy cho dù đó là một liên kết đôi hay một liên kết đơn, hoặc cho dù đây là một nguyên tử cacbon hay một nguyên tử nào đó khác," Lee cho biết. "Một khi bạn gắn một phân tử trong khung MOF, thì bạn có thể tìm hiểu cấu trúc tuyệt đối một cách rất chính xác".

Thanh Vân - Dostdongnai, theo ScienceDaily.