Nhà khoa học của NSLS-II, Tiffany Victor, trình bày tại Nanoprobe X-ray Hard, nơi nhĩm của cơ đã tạo ra các bản đồ hĩa học 3D
của các vi khuẩn đơn với độ phân giải nano.
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 Phịng thử nghiệm quốc gia Brookhaven của DOE đã sử dụng tia X siêu việt để chiếu hình ảnh vi khuẩn đơn cĩ độ phân giải khơng gian cao nhất từ trước đến nay. Cơng trình của họ, được cơng 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.
“Lần đầu tiên, chúng tơi 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 trị 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 nĩi.
Trong khi các kỹ thuật hình ảnh khác, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử, cĩ thể hình ảnh cấu trúc của màng tế bào với độ phân giải rất cao, nhưng kỹ thuật này khơng thể cung cấp thơng tin hĩa học trên tế bào. Tại HXN, các nhà nghiên cứu cĩ thể tạo ra các bản đồ hĩa học 3-D về các mẫu của họ, xác định các nguyên tố vi lượng được tìm thấy thơng qua tế bào.
Tiffany Victor, tác giả chính của nghiên cứu và một nhà khoa học của NSLS-II cho biết: “Tại HXN, chúng tơi chụp ảnh mẫu ở một gĩc, xoay mẫu sang gĩc tiếp theo, chụp ảnh khác, vv… Mỗi hình ảnh cho thấy, trắc diện hĩa học của mẫu tại hướng đĩ. Sau đĩ, chúng tơi cĩ thể hợp nhất các trắc diện đĩ lại với nhau để tạo ra hình ảnh 3 chiều".
Miller nĩi thêm: "Lấy một hình ảnh 3-D XRF tương tự như lấy hình ảnh x-quang thơng thường mà bạn cĩ thể nhận được tại phịng chụp CT của bác sĩ".
Những hình ảnh do HXN tạo ra cho thấy, hai nguyên tố vi lượng, canxi và kẽm, cĩ các phân bố khơng gian độc nhất trong tế bào vi khuẩn.
"Chúng tơi tin rằng, kẽm cĩ liên quan đến ribosome trong vi khuẩn" - Victor nĩi. "Vi khuẩn khơng cĩ nhiều bào quan tế bào, khơng giống như tế bào nhân chuẩn (phức tạp) cĩ ti thể, hạt nhân và nhiều bào quan khác. Vì vậy, nĩ khơng phải là mẫu thú vị nhất để chiếu hình ảnh, nhưng nĩ là một hệ thống mơ 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 nĩi. "Ví dụ, chúng ta cĩ thể hình dung cách cấu trúc bên trong của pin đang chuyển đổi trong khi nĩ đang được sạc và xả ra".
Ngồi 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 phịng trong quá trình đo tia X.
"Lý tưởng nhất, phải tiến hành chiếu hình ảnh XRF trên các mẫu sinh học đơng lạnh được bảo quản cryo để ngăn ngừa thiệt hại do bức xạ gây ra và để hiểu biết hơn về sinh lý học cĩ liên quan đến quá trình tế bào" - Victor nĩi. “Vì những hạn chế của
khơng gian trong buồng mẫu của HXN, chúng tơi khơng thể nghiên cứu mẫu bằng cách sử dụng một cryostage. Thay vào đĩ, chúng tơi nhúng các tế bào vào các tinh thể natri clorua nhỏ và chụp các tế bào ở nhiệt độ phịng. 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 tơi.
Các nhà nghiên cứu nĩi rằng, chứng minh hiệu quả của kỹ thuật chụp X - quang, cũng như phương pháp chuẩn bị mẫu là bước đầu tiên trong một cơng trình lớn hơn để chiếu hình ảnh các nguyên tố vi lượng trong các tế bào sinh học khác ở kích cỡ nano. Nhĩm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến vai trị của đồng liên quan đến tê liệt thần kinh ở bệnh alzheimer.
"Các nguyên tố như sắt, đồng và kẽm là dinh dưỡng cần thiết nhưng chúng cũng cĩ thể đĩng vai trị đối với bệnh tật" - Miller nĩi. "Chúng tơi 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. Scientif- ic Reports, 2018; 8 (1) DOI: 10.1038/s41598-018- 31461-y
ĐỖ QUYÊN dịch
Nguồn: Phịng thử nghiệm Quốc gia Brookhaven/ Cục năng lượng - Hoa Kỳ