Bản đồ hóa học 3D của vi khuẩn đơn

Các nhà khoa học thuộc Cục Nguồn Chiếu sáng Synchrotron Quốc gia II (NSLS-II) – Cơ quan Science User Facility của Cục Năng lượng Mỹ (DOE) tại Phòng thử nghiệm quốc gia Brookhaven của DOE đã sử dụng tia X siêu việt để chiếu hình ảnh vi khuẩn đơn có độ phân giải không gian cao nhất từ trước đến nay. Công trình của họ, được công bố trong Báo cáo khoa học, chứng minh kỹ thuật chiếu chụp tia X, được gọi là kính hiển vi huỳnh quang tia X (XRF), như một phương pháp hiệu quả để tạo ra hình ảnh 3-D của các mẫu sinh học nhỏ.

Nhà khoa học của NSLS-II, Tiffany Victor, trình bày tại Nanoprobe X-ray Hard, nơi nhóm của cô đã tạo ra các bản đồ hóa học 3D của các vi khuẩn đơn với độ phân giải nano.

“Lần đầu tiên, chúng tôi đã sử dụng XRF kích cỡ nano để chiếu hình ảnh vi khuẩn xuống đến độ phân giải của màng tế bào” – Lisa Miller, một nhà khoa học tại NSLS-II và là đồng tác giả của bài báo cho biết. “Hình ảnh tế bào ở mức độ của màng rất cần thiết để hiểu được vai trò của tế bào trong các bệnh khác nhau và để phát triển phương pháp điều trị y học tiên tiến”.

Thực hiện độ phân giải kỷ lục của các hình ảnh x-ray nhờ khả năng tuyệt đỉnh của chùm tia X-quang Nanoprobe (HXN), một trạm thử nghiệm tại NSLS-II với quang học nanofocus mới và độ ổn định đặc biệt.

“HXN là chùm tia XRF đầu tiên để tạo ra một hình ảnh 3-D với loại độ phân giải này” –  Miller nói.

Trong khi các kỹ thuật hình ảnh khác, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử, có thể hình ảnh cấu trúc của màng tế bào với độ phân giải rất cao, nhưng kỹ thuật này không thể cung cấp thông tin hóa học trên tế bào. Tại HXN, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các bản đồ hóa học 3-D về các mẫu của họ, xác định các nguyên tố vi lượng được tìm thấy thông qua tế bào.

Tiffany Victor, tác giả chính của nghiên cứu và một nhà khoa học của NSLS-II cho biết: “Tại HXN, chúng tôi chụp ảnh mẫu ở một góc, xoay mẫu sang góc tiếp theo, chụp ảnh khác, vv… Mỗi hình ảnh cho thấy, trắc diện hóa học của mẫu tại hướng đó. Sau đó, chúng tôi có thể hợp nhất các trắc diện đó lại với nhau để tạo ra hình ảnh 3 chiều”.

Miller nói thêm: “Lấy một hình ảnh 3-D XRF tương tự như lấy hình ảnh x-quang thông thường mà bạn có thể nhận được tại phòng chụp CT của bác sĩ”.

Những hình ảnh do HXN tạo ra cho thấy, hai nguyên tố vi lượng, canxi và kẽm, có các phân bố không gian độc nhất trong tế bào vi khuẩn.

“Chúng tôi tin rằng kẽm có liên quan đến ribosome trong vi khuẩn” – Victor nói. “Vi khuẩn không có nhiều bào quan tế bào, không giống như tế bào nhân chuẩn (phức tạp) có ti thể, hạt nhân và nhiều bào quan khác. Vì vậy, nó không phải là mẫu thú vị nhất để chiếu hình ảnh, nhưng nó là một hệ thống mô hình đẹp thể hiện kỹ thuật chụp ảnh tuyệt vời”.

Yong Chu, nhà khoa học hàng đầu tại HXN cho biết, kỹ thuật chiếu hình ảnh cũng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác.

“Kỹ thuật chụp ảnh 3-D hoặc kỹ thuật chụp huỳnh quang này đang trở nên phổ biến trong các lĩnh vực khoa học khác” -Yong Chu nói. “Ví dụ, chúng ta có thể hình dung cách cấu trúc bên trong của pin đang chuyển đổi trong khi nó đang được sạc và xả ra”.

Ngoài việc phá vỡ các rào cản kỹ thuật về độ phân giải hình ảnh tia X bằng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để chiếu hình ảnh vi khuẩn ở nhiệt độ phòng trong quá trình đo tia X.

“Lý tưởng nhất, phải tiến hành chiếu hình ảnh XRF trên các mẫu sinh học đông lạnh được bảo quản cryo để ngăn ngừa thiệt hại do bức xạ gây ra và để hiểu biết hơn về sinh lý học có liên quan đến quá trình tế bào” – Victor nói. “Vì những hạn chế của không gian trong buồng mẫu của HXN, chúng tôi không thể nghiên cứu mẫu bằng cách sử dụng một cryostage. Thay vào đó, chúng tôi nhúng các tế bào vào các tinh thể natri clorua nhỏ và chụp các tế bào ở nhiệt độ phòng. Các tinh thể natri clorua duy trì hình dạng giống như que của các tế bào và chúng làm cho các tế bào dễ định vị hơn, giảm thời gian thực hiện các phép thử của chúng tôi.

Các nhà nghiên cứu nói rằng, chứng minh hiệu quả của kỹ thuật chụp x quang, cũng như phương pháp chuẩn bị mẫu là bước đầu tiên trong một công trình lớn hơn để chiếu hình ảnhcác nguyên tố vi lượng trong các tế bào sinh học khác ở kích cỡ nano. Nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến vai trò của đồng liên quan đếntê liệt thần kinh ở bệnh alzheimer.

“Các nguyên tố  như sắt, đồng và kẽm là dinh dưỡng cần thiết nhưng chúng cũng có thể đóng vai trò đối với bệnh tật” – Miller nói. “Chúng tôi đang tìm hiểu vị trí tế bào và chức năng của các protein chứa kim loại trong quá trình mắc bệnh để giúp phát triển các phương pháp trị liệu hiệu quả”.

Tài liệu tham khảo

Tiffany W. Victor, Lindsey M. Easthon, Mingyuan Ge, Katherine H. O’Toole, Randy J. Smith, Xiaojing Huang, Hanfei Yan, Karen N. Allen, Yong S. Chu, Lisa M. Miller. X-ray Fluorescence Nanotomography of Single Bacteria with a Sub-15 nm Beam. Scientific Reports, 2018; 8 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-31461-y

Yhocvn.net/Theo Tạp chí Thử nghiệm Ngày nay