Lần đầu tiên trên thế giới, các nhà nghiên cứu đã hoàn thành việc quét (scan) một màng tế bào sống ở cấp độ nano.
Hình ảnh của màng tế bào (Ảnh: Oak Ridge National Laboratory).
Nghiên cứu này công bố những chi tiết mà cuối cùng có thể giải quyết được những cuộc tranh luận bấy lâu nay về chức năng của màng tế bào.
Kỹ thuật được sử dụng để tạo ra hình ảnh đáng kinh ngạc này, về cơ bản có thể thay đổi cấu trúc nano được nghiên cứu trong sinh vật.
Nghiên cứu được tiến hành bởi một nhóm các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Họ đã đã sử dụng một hỗn hợp các kỹ thuật dán nhãn hóa học và di truyền để thêm một đồng vị hydro vào màng tế bào sống Bacillus subtilis.
Màng của tất cả các tế bào sống được tạo thành từ các phân tử chất béo mỏng, hoặc chất béo, hỗ trợ nhiều loại vật liệu hữu cơ khác như các kênh protein và chuỗi carbohydrate.
Ý tưởng cơ bản là chất béo hình thành hàng rào giữa các phần nhỏ ẩm ướt bên trong tế bào và bên ngoài tế bào. Protein thường tạo ra cấu trúc như cánh cửa để kiểm soát những gì đi vào trong và đi ra ngoài. Các hóa chất khác, chẳng hạn như carbohydrate, hoạt động như thẻ nhận dạng.
Mặc dù điều này trông có vẻ đơn giản, nhưng nó đã làm dấy lên một cuộc tranh luận tế bào học về sự tồn tại của một thứ gọi là cấu trúc bè lipid. Đây là những phần của màng, vận hành như các miền riêng biệt, làm cho màng tế bào hoạt động giống như một trò chơi ghép hình.
Có giả thiết cho rằng, sự di chuyển của cấu trúc bè lipid có thể đóng vai trò như một cơ chế kiểm soát bổ sung cho tế bào, bằng cách chuyển protein vào và ra khỏi cơ thể.
Nhà nghiên cứu hàng đầu - John Katsaras nói: "Điều này đã trở thành một cuộc tranh luận. Một số người tin rằng chúng tồn tại, trong khi những người khác nói rằng không. Tuy nhiên, có rất nhiều bằng chứng xác đáng ủng hộ cho cả hai bên”.
Cấu trúc tế bào thường được phân tích bằng cách sử dụng các nhãn huỳnh quang để tìm ra một phân tử đặc biệt và dán nhãn nó. Điều này khiến nó có thể được dễ dàng phát hiện bằng kính hiển vi ánh sáng.
Nhưng thật không may, không có cách rõ ràng để xác định địa điểm nơi một cấu trúc bè lipit bắt đầu hoạt động hay dừng lại. Thậm chí nếu có, chúng cũng quá nhỏ để có thể thấy được bằng kính hiển vi ánh sáng. Sử dụng kính hiển vi điện tử có thể cho độ phân giải tốt hơn, nhưng tế bào lại không hoạt động khi nó đang bị quan sát.
Để có được những hình ảnh rõ ràng hơn, nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ neutron. Chúng giải quyết những khác biệt tinh tế trong việc sắp xếp các phân tử ở màng tế bào của vi khuẩn.
Không chỉ thu được những bức ảnh có độ phân giải ở cấp độ nano, kỹ thuật này có thể quan sát mà không làm gián đoạn chức năng của màng tế bào. Nó cho phép các nhà khoa học xây dựng một bức tranh chi tiết về các lớp bên ngoài của tế bào mà không phá hủy nó.
Nhưng vẫn còn một vài thách thức cho các nhà khoa học để vượt qua. Sự phân tán neutron ở mức năng lượng thấp có thể không gây ra cái chết của các vi khuẩn, nhưng chúng vẫn có thể can thiệp vào các quá trình sinh học.
Thứ hai, các neutron có thể giúp khám phá nhiều thứ, nhưng để trả lời các câu hỏi về lipid, chúng cần phải phân biệt được các phân tử chất béo khác nhau. Đó là nơi các đồng vị đi vào.
Hạt nhân 99.98% của tất cả các nguyên tử hydro trong vũ trụ chỉ có một proton duy nhất. Trong trường hợp, một phần nhỏ của một phần trăm nguyên tử hydro đi kèm với một neutron gắn vào có thể được gọi là deuterium.
Cả hydrogen và deuterium đều làm cùng một công việc trong các phân tử tạo thành tế bào, nhưng chúng phân tán neutron theo những cách khác nhau.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dòng B. subtilis để sắp xếp các lipid có tỉ lệ hydro và deuterium hơi khác nhau vào màng tế bào. Nếu giả thuyết về cấu trúc bè lipid không giữ nước, họ hy vọng sẽ thấy một sự sắp xếp thống nhất của các phân tử chất béo.
Nhưng thay vào đó, họ lại thấy sự khác biệt rõ ràng về cách lipid được bố trí thành các vùng - phù hợp với quy mô dự kiến của các miền giả thuyết.
Quan sát này đã giúp các nhà khoa học biết tế bào vi khuẩn được cấu trúc như thế nào? Theo đó, các màng tế bào ướt ở bên dưới, lớp lipid của màng tế bào – đang được nghiên cứu, nằm ở giữa và tường tế bào cứng nằm ở trên đầu.
Nhóm nghiên cứu cho biết rằng, kỹ thuật sử dụng sự phân tán deuterium và neutron có thể được dùng để thay đổi cơ bản các cấu trúc nano được nghiên cứu trong sinh vật sống.
Katsaras nói: "Những người nghiên cứu những điều này có xu hướng sử dụng các loại đầu dò đặc biệt. Họ không sử dụng sự phân tán neutron bởi vì nó không nằm trong sự lựa chọn của các nhà sinh vật học. Cách tiếp cận thực nghiệm mới của chúng tôi đã mở ra những lĩnh vực nghiên cứu mới."
