Công cụ nghiên cứu tế bào mới có thể góp phần hé lộ các bí mật của bệnh tật

Trong tế bào sống của con người tồn tại vô số “cỗ máy” nano sinh học, đảm nhiệm những nhiệm vụ nhỏ bé nhưng quyết định nhiều hoạt động thiết yếu của cơ thể. Chúng vận chuyển vật chất, tạo lực, truyền tín hiệu hoặc thay đổi cấu trúc theo cách phức tạp, khiến giới khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ cách chúng vận hành trong môi trường tự nhiên. Theo nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Ames của Bộ Năng lượng Mỹ, công cụ quan sát mới có thể giúp làm sáng tỏ những chuyển động ẩn giấu ấy. Nghiên cứu tập trung vào khả năng theo dõi chuyển động xoay của các bộ máy nano bên trong tế bào sống, lĩnh vực lâu nay còn gặp nhiều hạn chế kỹ thuật. Những trục trặc ở bất kỳ bộ máy nano nào cũng có thể liên quan đến bệnh tật, trong đó có bệnh Alzheimer, vì vậy việc tìm hiểu cơ chế hoạt động của chúng mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng phương pháp mới sẽ cung cấp thêm manh mối về thành phần, động lực và cách những hệ thống cực nhỏ này thực hiện chức năng. Khi nghiên cứu bộ máy nano, giới khoa học thường quan sát nhiều dạng chuyển động khác nhau, bởi mỗi chuyển động có thể giữ vai trò thiết yếu đối với hoạt động chung. Chuyển động tịnh tiến, tức sự thay đổi vị trí của một vật thể trong không gian, hiện có thể được theo dõi bằng nhiều kỹ thuật tương đối hiệu quả. Ngược lại, chuyển động xoay cũng cơ bản không kém nhưng vẫn chưa được khảo sát đầy đủ, chủ yếu vì các phương pháp hiện có khó ghi nhận chính xác hướng quay trong tế bào. Một số kỹ thuật trước đây, chẳng hạn phân cực huỳnh quang phân tử đơn hoặc theo dấu hạt, từng giúp quan sát chuyển động xoay của các đối tượng cực nhỏ. Tuy nhiên, những phương pháp này chủ yếu được sử dụng trong môi trường in vitro, nghĩa là bên ngoài cơ thể hoặc bên ngoài tế bào, như các hệ thống nuôi cấy trên đĩa Petri. Nghiên cứu mới đã mở rộng phạm vi quan sát sang môi trường in vivo, cho phép theo dõi chuyển động xoay diễn ra ngay trong những tế bào sống. Để thực hiện việc này, nhóm nghiên cứu sử dụng các que nano vàng có kích thước chỉ từ 25 tới 73 nanomet, nhỏ đến mức khó hình dung bằng mắt thường. Một bó gồm 1.000 que nano được nén chặt vẫn chỉ có đường kính tương đương một sợi tóc người, cho thấy quy mô đặc biệt nhỏ của công cụ. Trong tế bào sống, những que nano vàng không độc này phân tán ánh sáng khác nhau tùy theo hướng mà chúng đang đặt hoặc đang xoay. Nhóm nghiên cứu kết hợp các que nano vàng với kính hiển vi tương phản giao thoa vi phân, thường được gọi là DIC, để thu thập thông tin chi tiết hơn về đối tượng. Kỹ thuật này không chỉ cung cấp hình ảnh trực quan của tế bào mà còn giúp xác định vị trí và hướng của từng que nano vàng bên trong tế bào sống. Nhờ vậy, các nhà khoa học có thể tạo ra hình ảnh chuyển động năm chiều, gồm ba chiều không gian phối hợp cùng hai góc định hướng. Cách tiếp cận này vượt qua giới hạn của việc chỉ nhìn một vật thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác, bởi nó còn cho thấy vật thể thay đổi hướng như thế nào trong quá trình hoạt động. Theo nhóm nghiên cứu, hình ảnh DIC của các que nano vàng đạt độ phân giải góc cao, yếu tố cần thiết để nhận diện những chuyển động xoay rất nhỏ. Dữ liệu thu được có thể giúp mô tả rõ hơn các chuyển động bên trong những phức hợp nano đang hoạt động trong môi trường tế bào tự nhiên. Với khả năng theo dõi đồng thời vị trí và hướng, phương pháp mới mở thêm cánh cửa nghiên cứu các bộ máy nano sống trong điều kiện gần với thực tế sinh học. Công cụ này chưa trực tiếp tạo ra phương pháp điều trị bệnh, nhưng có thể hỗ trợ giới khoa học truy tìm những rối loạn phát sinh khi các bộ máy cực nhỏ hoạt động sai lệch. Từ những chuyển động tưởng như vô hình, nghiên cứu có thể góp phần xây dựng bức tranh rõ hơn về cơ chế bệnh tật và các quá trình sống phức tạp trong tế bào.