Nobel Hóa học 2014: Vượt qua giới hạn 

Từ trái sang: Eric Betzig, Stefan W.Hell và William E.Moerner - Ảnh: nobelprize.org

Giải Nobel hóa học năm 2014 đã được trao cho ba nhà khoa học: Eric Betzig (Mỹ) Stefan W. Hell (Đức) và William E. Moerner (Mỹ) cho thành tích phát triển các kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải - thiết bị không thể thiếu trong hành trình khám phá những tri thức quan trọng và bí ẩn nhất về sự sống và con người. 

Hơn 300 năm về trước, các nhà sinh học đã ngỡ ngàng trước một thế giới sinh vật nhỏ bé mà sống động dưới kính hiển vi. Sự ra đời của kính hiển vi quang học cũng chính là sự ra đời của ngành vi sinh. Loại thiết bị thiết yếu này cho phép quan sát trực tiếp đời sống của các vi sinh vật sống mà không gây ảnh hưởng gì đến chúng như các loại kính hiển vi điện tử. 

Đáng tiếc là độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi chính bước sóng của ánh sáng mà nó sử dụng, thường là ánh sáng nhìn thấy.

Về mặt lý thuyết, đây là giới hạn không thể vượt qua. Bởi nếu dùng ánh sáng để quan sát thì không thể nhận biết được có kích thước nhỏ hơn nửa bước sóng của ánh sáng sử dụng. Về lý thuyết thì đó là ánh sáng cực tím, cỡ 400nm.

Nhưng trên thực tế thì độ phân giải bị giới hạn bởi rất nhiều yếu tố, do đó độ phân giải của kính hiển vi quang học chưa bao giờ vượt qua ngưỡng 0,2 micromet. Điều này đã được Ernst Abbe công thức hóa và công bố vào năm 1873, ngưỡng này được gọi là giới hạn Abbe.

Loại kính này được gọi tên là microscopy, tức quan sát được ở cỡ micromet, tức không thể quan sát các chi tiết nhỏ hơn, hoặc hoạt động của các tế bào vi sinh vật vốn có kích thước nhỏ hơn 0,2 micromet rất nhiều.

Nhưng càng quan sát chi tiết thì càng có nhiều thông tin, thu được càng nhiều tri thức. Vì thế, quan sát ở các thang bậc nhỏ hơn 0,2 micromet là một mong muốn cháy bỏng của các nhà khoa học.

Chuyện thứ nhất

Stefan Hell, từ những năm 1990, khi còn là nghiên cứu sinh của ĐH Heisengberg đã luôn nghĩ rằng phải có một cách nào đó để vượt qua giới hạn Abbe.

Ý tưởng của ông luôn bị các nhà khoa học lớn tuổi nghi ngờ, nhưng quan trọng hơn ông không biết vượt qua cụ thể bằng cách nào, cho đến khi bắt gặp hiện tượng “bức xạ kích thích” (stimulated emission) trong cuốn giáo trình về quang học lượng tử.

“Khoảnh khắc đó, tôi thấy bừng sáng. Tôi đã tìm được một khái niệm vững chắc để theo đuổi - một sợi chỉ đỏ thật sự” - Hell nhớ lại.

Sợi chỉ đỏ của Hell cụ thể là gì? Đó là tạo ra một dạng xung ánh sáng quét ở kích thước nano lên mẫu vật có chứa các phân tử huỳnh quang. Hell sử dụng một chùm laser thứ nhất để kích hoạt tất cả phân tử huỳnh quang, chùm laser thứ hai để làm “đông cứng” chúng, tức không cho chúng phát xạ, ngoại trừ các phân tử nằm trong vùng có kích thước nano ở giữa chùm thứ nhất.

Khi đó, đầu dò của máy sẽ chỉ ghi được tín hiệu huỳnh quang phát ra từ vùng có kích thước nano này. Bằng cách di chuyển chùm laser này, Hell ghi được hình ảnh của các phần khác nhau trên mẫu vật với độ phân giải ở kích thước nano.

Khi gộp chung lại các hình ảnh, chúng tạo ra hình ảnh cuối cùng có độ phân giải rất cao, vượt xa giới hạn 0,2 micromet của Abbe rất nhiều. 

Thang kích thước của sinh vật và giới hạn Abbe (0,2 micromet)

Chuyện thứ hai

W.E.Moerner là người đầu tiên quan sát được một phân tử huỳnh quang năm 1989, khi đang làm việc trong nhóm nghiên cứu của IBM tại San Jose, California (Mỹ).

Năm 1997, khi gia nhập nhóm nghiên cứu của Roger Tsien - người được giải Nobel năm 2008 vì đã tìm ra và phát triển ứng dụng các protein huỳnh quang xanh lá, Moerner nhận thấy các protein huỳnh quang này có thể “tắt” và “bật” tùy ý nhờ sử dụng ánh sáng kích thích có bước sóng khác nhau.

Cụ thể, khi sử dụng ánh sáng kích thích có bước sóng 488nm, tất cả protein đều phát xạ huỳnh quang và tắt đi sau đó. Nhưng nếu dùng ánh sáng có bước sóng 405nm để kích thích, các phân tử protein này sẽ “sống lại” và phát xạ huỳnh quang trở lại khi bị kích thích bởi ánh sáng 488nm. 

Như vậy, bằng cách sử dụng hai nguồn sáng khác nhau, một người có thể “tắt” và “bật” các phân tử protein huỳnh quang này tùy ý muốn. Điều này cũng giống như việc dùng tay để bật - tắt những bóng đèn nhỏ li ti ở kích thước phân tử nhưng thay vì dùng tay, ta dùng hai nguồn sáng có bước sóng khác nhau.

Moerner sử dụng phát hiện này để quan sát các phân tử protein huỳnh quang bằng kính hiển vi quang học thông thường, bằng cách pha loãng các phân tử này trong một hệ gel sao cho khoảng cách giữa chúng lớn hơn 0,2 micromet để tránh rơi vào giới hạn Abbe.     

Phát hiện của Moerner là bước đột phá trong ngành sinh học vì cho phép quan sát đến cấp độ phân tử chỉ bằng kính hiển vi quang học. Đó cũng là cơ sở cho phát kiến của Eric Betzig về kính hiển vi huỳnh quang sau này.

Chuyện thứ ba

Cũng như Hell, Betzig bị ám ảnh bởi việc phải vượt qua giới hạn Abbe. Vào những năm 1990, ông làm việc cho phòng thí nghiệm nổi tiếng Bell Labs về kính hiển vi quang học quét trường (near-field scanning optical microscopy) vốn cho phép vượt qua giới hạn 0,2 micromet.

Nhưng đến năm 1995, Betzig đi đến kết luận rằng kính hiển vi quét trường không thể cải thiện được thêm bao nhiêu, chưa kể nó đòi hỏi điều chỉnh phức tạp và chậm chạp. Betzig nản, cảm thấy chán cuộc đời nghiên cứu khoa học nên rời bỏ Bell Labs dù chưa biết sẽ đi đâu. Nhưng ám ảnh về việc vượt qua giới hạn Abbe vẫn ở lại.

Trong một lần đi dạo vào một ngày lạnh giá, Betzig chợt nhận thấy rằng giới hạn Abbe có thể vượt qua bằng cách sử dụng các phân tử protein có tính chất quang học khác nhau, ví dụ như các phân tử có khả năng phát xạ ánh sáng các màu khác nhau.

Nếu làm được như vậy, kính hiển vi chỉ cần ghi nhận mỗi lần một màu một cách độc lập. Nếu các phân tử được phân tán sau cho khoảng cách giữa chúng lớn hơn 0,2 micromet, thì việc ghi nhận này hoàn toàn khả dĩ với kính hiển vi quang học.

Điều kỳ diệu là sau khi chồng chập tất cả ảnh ghi nhận này lại với nhau, ta sẽ có được hình ảnh chi tiết của mẫu vật với độ phân giải cao hơn rất nhiều so với giới hạn 0,2 micromet. 

Vấn đề là tìm đâu ra các phân tử protein có khả năng phát ra nhiều màu khác nhau như vậy? Không ai biết. Betzig cũng không biết. Ông công bố ý tưởng này trong một bài báo khoa học và rời bỏ đời sống học thuật sau đó để gia nhập công ty của cha mình.

Nhiều năm sau đó, Betzig hoàn toàn không còn liên hệ gì với học thuật, nhưng nỗi ám ảnh vượt qua giới hạn Abbe vẫn còn. Một lần, khi đọc qua các công bố khoa học mới, bắt gặp những nghiên cứu về các phân tử protein huỳnh quang xanh lá cây, Betzig nghĩ ngay đến khả năng dùng chúng để vượt qua giới hạn Abbe.

Cánh cửa mở ra vào năm 2005 khi Betzig bắt gặp các phân tử protein có thể “bật-tắt” theo ý muốn mà Moerner đã phát hiện năm 1997. Ngay lập tức, ông nhận ra đây là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Các phân tử protein không cần phải phát ra nhiều màu khác nhau như ông giả định, mà chỉ cần có khả năng “bật-tắt” theo ý muốn là được.

Một năm sau, Betzig cùng các đồng nghiệp kiểm chứng được ý tưởng của mình trên thực tế. Họ gắn các protein huỳnh quang vào màng của tế bào lysosome rồi sử dụng một xung ánh sáng kích thích rất yếu để kích thích các phân tử này.

Vì nguồn sáng rất yếu nên chỉ có một số nhỏ phân tử protein bị kích thích phát xạ. Và vì số lượng nhỏ, hầu hết chúng sẽ ở cách xa nhau một khoảng lớn hơn 0,2 micromet nên có thể ghi nhận được bằng kính hiển vi quang học.

Quá trình này cứ lặp đi lặp lại để thu được một loạt ảnh, mỗi lần với một nhóm các phân tử protein khác nhau. Cuối cùng, chồng chập tất cả ảnh này lại với nhau và sử dụng các thuật toán để xử lý, họ thu được một ảnh cuối với độ phân giải cực cao, vượt xa giới hạn Abbe đã đặt ra trước đó.

Cả ba nhà khoa học trên đây đã độc lập với nhau tìm ra cách vượt qua giới hạn Abbe. Các phương pháp của họ đã dẫn đến sự phát triển của nhiều loại kính hiển vi huỳnh quang có độ phân giải cỡ nano.

Như vậy, kính hiển vi không còn là microscopy (nhìn ở cấp micromet) nữa, mà đã tiến hóa để trở thành nanoscopy (nhìn ở cấp nanomet). Các loại kính hiển vi này đang được sử dụng rộng rãi trong khắp phòng thí nghiệm sinh y trên thế giới.