MỘT PHÂN TỬ PROTEIN, BỊ CHỚP TIA X BẮT GỌN GIỮA KHÔNG TRUNG

Để thấy một protein hoạt động thế nào, các nhà sinh học muốn quan sát nó thay đổi hình dạng. Làm được vậy nghĩa là nhìn một phân tử đơn lẻ từ nhiều góc, bằng bức xạ có bước sóng rất ngắn. Vấn đề là electron và tia X, những đầu dò duy nhất đủ mạnh, cũng làm hỏng chính phân tử mà chúng đang chụp. Kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (cryo-EM) lách qua điều này bằng cách đông lạnh hàng nghìn phân tử trong băng và lấy trung bình nhiều bức ảnh nhiễu.

Mỗi lần tán xạ, tia X trút vào phân tử năng lượng nhiều hơn electron khoảng một nghìn lần. Nhưng có một kẽ hở, được gọi là “nhiễu xạ trước khi phá hủy” (diffraction before destruction): với một xung từ laser electron tự do tia X chỉ kéo dài vài femto giây, hình ảnh ánh sáng tán xạ được ghi lại trước khi phân tử kịp vỡ tung. Phân tử không cần đông lạnh, không cần giá đỡ — nó có thể bị bắt gọn khi đang bay. Cho đến nay, cách này đã thành công với các virus lớn. Chụp ảnh 3D một protein đơn lẻ bằng tia X cứng vẫn nằm ngoài tầm với.

Máu giun đất trong chân không

Một nhóm quốc tế lớn do Paul Lourdu Xavier và Henry Chapman tại DESY ở Hamburg dẫn đầu, cùng European XFEL và hàng chục cơ sở trên khắp thế giới, đã chọn erythrocruorin: một hemoglobin khổng lồ, được tinh chế từ máu của khoảng một trăm con giun đất. Nó nặng 3,6 megadalton và có hình dạng đối xứng cao, gồm hai vòng xếp chồng với một lỗ ở giữa.

Các protein được phun thành những giọt nhỏ, trung hòa điện tích và hội tụ thành một chùm hẹp bay với tốc độ khoảng 100 mét mỗi giây qua một buồng chân không. Heli được thêm vào để giảm ánh sáng nền do khí còn sót lại. Cắt ngang chùm này là các xung từ European XFEL ở Schenefeld, Đức: các photon tia X 6 kiloelectronvolt, được dồn vào một điểm 180 nhân 220 nanomet, mỗi xung kéo dài khoảng 25 femto giây.

Mỗi chớp sáng ion hóa khoảng ba phần tư số nguyên tử trong phân tử — nhưng nó đã kết thúc trước khi vụ nổ kéo theo kịp làm nhòe bức ảnh.

270 triệu khung hình cho một hình dạng

Trong 21 giờ, đầu dò ghi được 270 triệu khung hình.
Chỉ 188.557 trong số đó — 0,07% — chứa một hình nhiễu xạ, phần lớn từ một protein đơn lẻ.
50.000 khung hình tốt nhất được phân thành 144 nhóm có góc nhìn tương tự, cho ra các ảnh chiếu phẳng ở độ phân giải khoảng 15 ångström.
Từ 26.908 hình được chọn, nhóm dựng lại nhiễu xạ trong ba chiều, rồi giữ 1.248 hình sạch nhất để tính một bản đồ 3D các electron của protein ở khoảng 20 ångström. Nó cho thấy lỗ ở giữa và tính đối xứng bậc sáu như kỳ vọng từ cấu trúc đã biết.

Một protein co lại khi bay

Mọi bản dựng 3D đều gọn hơn cấu trúc tinh thể đã biết, nhất là theo trục ngắn. Nhóm đã truy ra nguyên nhân ở chính môi trường chân không: rời khỏi nước, protein co lại. Các mô phỏng máy tính của toàn bộ phân tử cũng đồng ý — nó co 2,5% trong nano giây đầu tiên, rồi chậm hơn. Sự khác biệt này giữa các phân tử có lẽ là lý do ảnh 3D mờ hơn các ảnh 2D.

Các tác giả liệt kê các bước tiếp theo: bảo vệ protein khỏi sự co rút này, bằng những giọt nhỏ hơn, hành trình ngắn hơn hoặc đông lạnh tức thời, hoặc bằng cách đưa chúng vào trong một tấm chất lỏng siêu mỏng; và những xung tia X ổn định hơn, ngắn hơn, mạnh hơn. Các mô phỏng cho thấy tổn hại do bức xạ sẽ càng quan trọng khi ảnh càng sắc nét.

Hướng tới phim về từng phân tử

Hai mươi ångström còn xa mới nhìn thấy nguyên tử. Nhưng các tác giả mô tả đây là một mục tiêu đã được theo đuổi gần ba thập kỷ: một protein đơn lẻ, cô lập, được chụp ảnh ba chiều bằng tia X cứng, không cần tinh thể hay đông lạnh. Lời hứa xa hơn là thời gian — kích hoạt một protein và bắt gọn nó giữa chuyển động, từng chớp sáng một.