Nhiều cấu trúc phân tử sinh học dày đặc trong tế bào và mô không thể tiếp cận được với các kháng thể đánh dấu. Việc hiểu cách các protein trong các cấu trúc này được sắp xếp với độ chính xác ở cấp độ nano đòi hỏi các cấu trúc này phải được giải mã trước khi dán nhãn.
Đôi khi những cấu trúc này có thể khó chụp ảnh vì các nhãn huỳnh quang được sử dụng để làm cho chúng nhìn thấy được không thể tự chèn vào giữa các phân tử. Để khắc phục hạn chế này, MIT các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật mới làm cho các phân tử vô hình có thể nhìn thấy được. Phương pháp này giúp các nhà khoa học làm giảm mật độ phân tử bằng cách mở rộng mẫu tế bào hoặc mô trước khi dán nhãn cho các phân tử. Điều này cho phép các phân tử dễ tiếp cận hơn với thẻ huỳnh quang.
Edward Boyden, Giáo sư Y. Eva Tan về Công nghệ thần kinh, giáo sư về kỹ thuật sinh học, khoa học não bộ và nhận thức tại MIT, cho biết, “Rõ ràng là quá trình mở rộng sẽ tiết lộ nhiều khám phá sinh học mới. Giả sử các nhà sinh vật học và bác sĩ lâm sàng đang nghiên cứu một loại protein trong não hoặc một mẫu vật sinh học khác, và họ dán nhãn cho nó theo cách thông thường. Trong trường hợp đó, họ có thể thiếu toàn bộ các loại hiện tượng.”
Như các nhà khoa học đã lưu ý, phương pháp này cho phép các nhà khoa học hình dung được các phân tử và cấu trúc tế bào chưa từng thấy trước đây. Trong nghiên cứu của họ, các nhà khoa học có thể hình dung ra cấu trúc nano được tìm thấy trong các khớp thần kinh của tế bào thần kinh. Họ cũng chụp ảnh cấu trúc của Alzheimer-các mảng beta amyloid được liên kết chi tiết hơn có thể.
Deblina Sarkar, trợ lý giáo sư tại Media Lab và là một trong những tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Công nghệ của chúng tôi, mà chúng tôi đặt tên là tiết lộ mở rộng, cho phép hiển thị trực quan các cấu trúc nano này, vốn trước đây vẫn bị ẩn, sử dụng phần cứng dễ dàng có sẵn trong các phòng thí nghiệm học thuật.”
Trước khi mở rộng mô, các nhà khoa học trong phiên bản đầu tiên của kính hiển vi mở rộng đã áp dụng các điểm đánh dấu huỳnh quang lên các phân tử quan tâm. Việc ghi nhãn được thực hiện trước tiên, một phần vì protein của mẫu cần được phân hủy bởi enzyme trước khi mô có thể mở rộng. Điều này có nghĩa là một khi mô bị kéo căng thì không thể đánh dấu được protein.
Để khắc phục vấn đề đó, các nhà khoa học đề nghị tìm cách mở rộng mô trong khi vẫn giữ nguyên các protein. Thay vì sử dụng enzyme, họ sử dụng nhiệt để làm mềm mô. Điều này cho phép mô nở ra gấp 20 lần mà không bị phá hủy. Sau đó, họ tách các protein có thể được dán nhãn bằng thẻ huỳnh quang sau khi mở rộng.
Vì các nhà khoa học có thể truy cập nhiều protein để dán nhãn nên họ có thể xác định được các cấu trúc tế bào nhỏ trong các khớp thần kinh. Những cột nano này được cho là giúp giao tiếp qua khớp thần kinh hiệu quả hơn.
Jinyoung Kang, một postdoc của MIT, cho biết, “Công nghệ này có thể được sử dụng để trả lời nhiều câu hỏi sinh học về rối loạn chức năng của protein khớp thần kinh, liên quan đến bệnh thoái hóa thần kinh. Chưa có công cụ nào có thể hình dung tốt các khớp thần kinh.”
Sử dụng kỹ thuật mới của họ, các nhà khoa học đã chụp được hình ảnh beta-amyloid, peptide hình thành mảng bám trong AD. Họ đã sử dụng mô não của chuột và phát hiện ra rằng amyloid beta hình thành các cụm nano định kỳ. Điều này chưa từng được nhìn thấy trước đây.
Đáng ngạc nhiên là họ cũng tìm thấy các kênh kali trong cụm beta amyloid. Ngoài ra, các phân tử amyloid beta tạo ra các cấu trúc xoắn ốc dọc theo sợi trục.
Margaret Schroeder, một sinh viên tốt nghiệp MIT, đồng thời là tác giả của bài báo, cho biết: “Trong bài báo này, chúng tôi sẽ không suy đoán về ý nghĩa sinh học đó, nhưng chúng tôi chứng minh rằng nó tồn tại. Đó chỉ là một ví dụ về các mô hình mới mà chúng ta có thể thấy.”
Sarkar nói, “Tôi bị mê hoặc bởi các mẫu phân tử sinh học có kích thước nano mà công nghệ này mang lại. Với nền tảng về điện tử nano, tôi đã phát triển các chip điện tử yêu cầu sự căn chỉnh chính xác trong hệ thống nano. Nhưng khi tôi thấy Mẹ Thiên nhiên đã sắp xếp các phân tử sinh học với độ chính xác ở cấp độ nano như vậy trong não chúng ta, điều đó khiến tôi kinh ngạc.”
Tạp chí tham khảo:
- Sarkar, D., Kang, J., Wassie, AT và cộng sự. Tiết lộ cấu trúc nano trong mô não thông qua quá trình giải mã protein bằng kính hiển vi mở rộng lặp lại tự nhiên sinh học. Anh (Năm 2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00912-3
