Các nhà khoa học đã vượt qua rào cản kéo dài một thế kỷ trong lĩnh vực kính hiển vi, mở ra một thế giới hoàn toàn mới về chi tiết tế bào. Trong gần 100 năm, các nhà nghiên cứu bị giới hạn bởi giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng - không thể nhìn thấy các vật thể nhỏ hơn 200 nanometer cách nhau. Giờ đây, các kỹ thuật kính hiển vi siêu phân giải có thể phân biệt các vật thể nhỏ đến 20 nanometer, tiết lộ các cấu trúc và quá trình tế bào trước đây không thể nhìn thấy.
Cộng đồng khoa học đã đón nhận những công nghệ đột phá này với sự nhiệt tình đáng kể. Các nhà nghiên cứu hàng đầu như Ibrahim Cissé , hiện đang điều hành một viện Max Planck , đang sử dụng hình ảnh phân tử đơn và siêu phân giải để nghiên cứu sự tập hợp protein trong tế bào sống. Công việc của ông minh họa cách lĩnh vực này đã thu hút nhân tài hàng đầu và nguồn tài trợ đáng kể, với các giám đốc Max Planck có quyền tiếp cận nguồn tài nguyên nghiên cứu về cơ bản là không giới hạn.
 |
|---|
| Minh họa này làm nổi bật khả năng của kính hiển vi siêu phân giải trong việc hình dung các chi tiết tinh vi của cấu trúc tế bào |
Các Kỹ Thuật Hình Ảnh Cách Mạng Biến Đổi Sinh Học Tế Bào
Ba phương pháp chính đã cách mạng hóa cách các nhà khoa học quan sát tế bào sống. Kính hiển vi định vị phân tử đơn sử dụng các thẻ huỳnh quang nhấp nháy bật tắt, cho phép máy tính xác định chính xác vị trí của từng phân tử. Phương pháp phát xạ kích thích sử dụng các vòng laser hình bánh donut để làm sắc nét ti초점 bằng cách triệt tiêu ánh sáng không mong muốn. Kính hiển vi chiếu sáng có cấu trúc chiếu các mẫu ánh sáng sọc để tiết lộ chi tiết ẩn thông qua hiệu ứng giao thoa.
Các kỹ thuật này hoạt động khác với các phương pháp truyền thống. Trong khi một số ứng dụng yêu cầu tế bào cố định (không sống), các phương pháp mới hơn như PAINT có thể theo dõi phân tử trong tế bào sống bằng cách phát hiện các sự kiện liên kết và tách liên kết. Cộng đồng đã lưu ý rằng MINFLUX , một kỹ thuật gần đây từ phòng thí nghiệm của Stefan Hell , đại diện cho một trong những tiến bộ hứa hẹn nhất trong theo dõi tế bào sống.
So sánh các kỹ thuật kính hiển vi siêu phân giải
| Kỹ thuật | Phương pháp | Độ phân giải | Ưu điểm chính |
|---|---|---|---|
| Định vị phân tử đơn | Thẻ huỳnh quang nhấp nháy bật/tắt | Xuống đến 20nm | Định vị phân tử chính xác |
| Sự cạn kiệt phát xạ kích thích | Vòng laser hình bánh donut | Dưới giới hạn nhiễu xạ | Kiểm soát tiêu điểm sắc nét |
| Chiếu sáng có cấu trúc | Các mẫu ánh sáng sọc | Chi tiết được nâng cao thông qua giao thoa | Tăng cường dựa trên mẫu |
| MINFLUX | Theo dõi định vị tiên tiến | Độ chính xác cao nhất | Theo dõi phân tử tế bào sống |
| Kính hiển vi mở rộng | Phóng to mẫu vật lý | Độ phóng đại hiệu quả | Không có ràng buộc giới hạn quang học |
Khám Phá Kiến Trúc Tế Bào Mới
Độ phân giải được cải thiện đã tiết lộ các cấu trúc tế bào hoàn toàn mới. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh chứa một khung vân tay được gọi là bộ xương tuần hoàn liên kết màng (MPS), cung cấp hỗ trợ cấu trúc và giúp điều hòa tín hiệu thần kinh. Phát hiện này đòi hỏi độ chính xác của kính hiển vi siêu phân giải vì cấu trúc MPS tồn tại ngay dưới giới hạn nhiễu xạ truyền thống.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng lysosome - các đơn vị xử lý chất thải tế bào - phức tạp hơn nhiều so với những gì sách giáo khoa đề xuất. Các lysosome khác nhau mang các kết hợp protein khác nhau trên bề mặt của chúng, cho thấy chúng thực hiện các chức năng bổ sung ngoài việc phân hủy chất thải, bao gồm sửa chữa màng và tiết tế bào.
Những Khám Phá Tế Bào Quan Trọng Được Hỗ Trợ Bởi Kính Hiển Vi Siêu Phân Giải
- Khung xương tuần hoàn liên kết màng (MPS): Cấu trúc giàn đỡ thần kinh cung cấp độ cứng và điều hòa tín hiệu
- Tính đa dạng protein lysosome: Sự kết hợp protein biến đổi cho thấy nhiều chức năng tế bào ngoài việc xử lý chất thải
- Mô hình tổ chức chromatin: Cách đóng gói DNA tiết lộ loại tế bào và trạng thái biệt hóa
- Phát hiện thụ thể ung thư: Xác định các mục tiêu điều trị không thể nhìn thấy bằng phương pháp tiêu chuẩn (ít nhất 5,000 protein trong số hàng trăm nghìn protein)
- Cơ chế xâm nhập của virus: Yêu cầu liên kết đa thụ thể để xâm nhập tế bào
- Tương tác giữa các bào quan: Quan sát thời gian thực các kết nối giữa ty thể và lưới nội chất
Tổ Chức DNA Tiết Lộ Danh Tính Tế Bào
Có lẽ đáng ngạc nhiên nhất, các nhà khoa học giờ đây có thể xác định loại tế bào họ đang quan sát chỉ bằng cách quan sát cách DNA của nó được tổ chức. Khi DNA đóng gói vào nhân tế bào, nó tạo thành các vòng và bó chỉ có thể được nghiên cứu bằng các kỹ thuật siêu phân giải. Tế bào gốc phôi, có thể trở thành bất kỳ loại tế bào nào, cho thấy tổ chức DNA lỏng lẻo, biến đổi. Các tế bào chuyên biệt đóng gói chặt chẽ các gen không sử dụng trong khi giữ các gen hoạt động trong các sắp xếp lỏng lẻo, dễ tiếp cận.
Chúng tôi thực sự có thể xác định liệu một tế bào là tế bào gốc hay tế bào biệt hóa dựa trên tổ chức không gian của chromatin.
Khám phá này có ý nghĩa sâu sắc để hiểu cách tế bào duy trì danh tính của chúng và cách tế bào gốc quyết định sẽ trở thành gì.
Cải Thiện Độ Chính Xác Điều Trị Ung Thư
Công nghệ này đã cải thiện liệu pháp ung thư. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số phương pháp điều trị thành công hoạt động ngay cả khi các phương pháp phát hiện tiêu chuẩn không thể tìm thấy protein mục tiêu của chúng. Kính hiển vi siêu phân giải tiết lộ rằng các liệu pháp miễn dịch tiêu diệt ung thư chỉ cần ít nhất 5.000 protein thụ thể cụ thể trong số hàng trăm nghìn protein khác trên bề mặt tế bào ung thư.
Độ chính xác này cho phép các bác sĩ kết hợp bệnh nhân tốt hơn với các phương pháp điều trị hiệu quả và đã dẫn đến việc xác định các mục tiêu điều trị mới. Khả năng hình dung chính xác cách tế bào miễn dịch tiêu diệt tế bào ung thư đang giúp các nhà nghiên cứu cải thiện hiệu quả điều trị.
Theo Dõi Nhiễm Virus Theo Thời Gian Thực
Các nhà khoa học đang sử dụng những kỹ thuật này để quan sát virus xâm nhập tế bào, có khả năng dẫn đến thuốc kháng virus tốt hơn. Nghiên cứu về virus Zika cho thấy rằng nó phải gắn vào nhiều protein thụ thể trước khi có thể xâm nhập tế bào - không chỉ một như trước đây nghĩ. Các nghiên cứu về COVID-19 tiết lộ rằng virus tạo ra các bong bóng bảo vệ bên trong tế bào nơi nó sao chép vật liệu di truyền của mình, che chắn bản thân khỏi các cơ chế phòng thủ tế bào.
Lĩnh vực này tiếp tục mở rộng nhanh chóng, với các công ty như Eikon Therapeutics xây dựng toàn bộ nền tảng khám phá thuốc xung quanh kính hiển vi siêu phân giải. Các phương pháp thay thế như kính hiển vi mở rộng - làm phóng to vật lý các mẫu thay vì cải thiện độ phân giải quang học - đang thêm nhiều công cụ hơn vào bộ công cụ của các nhà nghiên cứu.
Khi những công nghệ này trở nên dễ tiếp cận và thường quy hơn, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ khám phá các cấu trúc và quá trình tế bào vẫn hoàn toàn chưa biết ngày nay. Sự lạc quan của cộng đồng có tính lan tỏa, với các nhà nghiên cứu lưu ý rằng chỉ 20 năm trước, việc phá vỡ giới hạn nhiễu xạ dường như không thể.
Tham khảo: Super-resolution microscopes showcase the inner lives of cells