Nobel Hóa học 2014: Cánh cửa vào “thế giới nano”… đã mở

Nghiên cứu mang tính đột phá của họ đưa kính hiển vi quang học trở thành loại kính hiển vi có kích thước nano siêu nhỏ, tạo điều kiện cho các nhà khoa học có thêm công cụ hữu hiệu để nhìn thấy từng hoạt động nhỏ bên trong các tế bào sống, nghiên cứu và can thiệp vào những cấu trúc siêu nhỏ như vậy. Từ đây, giới khoa học sẽ có những kết quả và sản phẩm mới, không chỉ giới hạn trong nghiên cứu cơ bản mà còn cả trong những ứng dụng xa hơn.

Vượt qua rào cản “không thể vượt qua”

Đã từ lâu, kính hiển vi quang học có khá nhiều hạn chế vì không bao giờ cho ra hình ảnh độ phân giải tốt hơn một nửa bước sóng ánh sáng. Trước đây, chưa bao giờ các nhà khoa học có thể nghiên cứu tế bào sống trong những chi tiết phân tử nhỏ bé nhất. Từ năm 1873, nhà vật lý Ernst Abbe nói rằng có một giới hạn nhất định mà các kính hiển vi quang học không thể vượt qua được. Theo ông, độ phân giải của một kính hiển vi quang học không bao giờ có thể vượt qua mức 0,2 micromet - kích thước nhỏ hơn 500 lần độ rộng của một sợi tóc người.

Tuy nhiên, với sự trợ giúp của các phân tử huỳnh quang, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm nay là Eric Betzig, William Moerner và Stefan Hell đã khéo léo vượt qua được những giới hạn này. Công trình gây chấn động của họ đã cải thiện đáng kể độ phân giải của kính hiển vi quang học, chính thức đưa công cụ này vào không gian ở kích thước nano, giúp con người có thể quan sát những diễn biến trong một thế giới siêu nhỏ. Tên của ba nhà khoa học đã được vinh danh tại cuộc họp báo ở Thụy Điển, cùng với sự tham gia của 105 người từng giành Nobel Hóa học kể từ năm 1901.

Nghiên cứu giành giải Nobel Hóa học năm nay đã mở ra một cánh cửa vào "thế giới nano" thông qua việc phát triển kỹ thuật kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải.

Nhà khoa học Stefan Hell mang quốc tịch Đức, sinh năm 1962 tại Romania. Ông có bằng tiến sĩ năm 1990 tại Trường đại học Heidelberg. Hiện ông đang làm giám đốc Viện Nghiên cứu hóa sinh Max Planck (Đức) và cũng đang công tác tại Trung tâm Nghiên cứu ung thư Đức. Là người đi tiên phong trong nhóm nghiên cứu, ngay từ khi còn là một thanh niên trẻ tại đại học, ông đã làm việc trong một phòng nghiên cứu về kính hiển vi huỳnh quang.

Tại đây, các nhà khoa học kích thích các phân tử huỳnh quang và gắn chúng vào tế bào, khiến tế bào trở nên phát sáng và dễ nhìn thấy hơn dưới kính hiển vi quang học. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn nhiều hạn chế và hình ảnh thu được vẫn hết sức lộn xộn. Năm 1994, Hell đã tìm ra giải pháp xử lý hiệu quả. Theo đó, ông chiếu một luồng sáng đầu tiên để kích thích các phân tử huỳnh quang có trong mẫu vật cần nghiên cứu và chiếu luồng sáng thứ hai để “tắt” các phân tử huỳnh quang, ngoại trừ những phân tử có kích cỡ nanomet. Thông tin thu được sau lần quét thứ hai sẽ được tổng hợp lại để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao. Đến năm 2000, Hell đã trình diễn sức mạnh của mẫu kính hiển vi sử dụng công nghệ mới, thể hiện qua bức ảnh chụp vi khuẩn E.coli rõ nhất mà một kính hiển vi quang học có thể thu được.

Nhà khoa học William Moerner là công dân Mỹ, sinh năm 1953 tại California. Ông có bằng tiến sĩ năm 1982 tại Trường đại học Cornell. Hiện ông là giáo sư hóa học và giáo sư vật lý ứng dụng tại Trường đại học Stanford, California. Được biết, Moerner từ khi có bằng tiến sĩ đã theo đuổi nghiên cứu phương thức “vượt rào” thứ hai, thông qua kiểm soát hoạt động phát sáng của các phân tử huỳnh quang. Ông phát hiện ra rằng nhờ việc sử dụng các bước sóng ánh sáng nhất định, người ta có thể “bật” hoặc “tắt” các phân tử huỳnh quang có màu xanh lục. Một chiếc kính hiển vi thông thường hoàn toàn có thể phát hiện được hoạt động nhấp nháy này của phân tử huỳnh quang. Được truyền cảm hứng từ nghiên cứu của Moerner, Betzig đã tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về chủ đề kiểm soát phân tử huỳnh quang. Nhà khoa học Eric Betzig là công dân Mỹ, sinh năm 1960 tại Miami. Ông có bằng tiến sĩ năm 1988 tại Trường đại học Cornell. Hiện ông là trưởng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Janelia, Virginia.

Năm 2005, ông đã công bố một phát hiện mang tính đột phá, hoàn thiện nghiên cứu trước đó của William Moerner: Sử dụng các protein huỳnh quang có thể được tắt và bật theo ý muốn, ông đã tạo ra các hình ảnh có độ phân giải cao hơn nhiều so với giới hạn về lý thuyết. Theo đó, Betzig chỉ cần dùng các luồng sáng yếu là đã đủ để kích hoạt protein huỳnh quang phát sáng trong thời gian rất ngắn. Mỗi một lần kích thích bằng ánh sáng, một số protein huỳnh quang sẽ phát sáng. Các hình ảnh thu được sau đó sẽ được chồng lên nhau để tạo thành hình ảnh cuối có độ phân giải cao.

Ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm nay (từ trái qua): Eric Betzig, Stefan Hell và William Moerner.

Mở ra tiềm năng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực

Là đồng chủ nhân của giải Nobel Hóa học 2014, các nhà khoa học Eric Betzig, Stefan Hell và William Moerner sẽ chia nhau khoản tiền thưởng 8 triệu crown Thụy Điển (khoảng 1,1 triệu USD). Hell cho biết ông đã “hoàn toàn ngạc nhiên” khi hay tin đoạt giải Nobel. Betzig cũng nói rằng ông rất “sốc” trước tin giành giải. “Tôi đã đi lại loanh quanh trong trạng thái ngạc nhiên sững sờ suốt một giờ qua, trong một ngày tuyệt đẹp ở Munich, sợ rằng cuộc đời mình đã thay đổi” - Betzig nói với phóng viên BBC qua điện thoại từ Munich.

Nhìn chung, giải Nobel Hóa học 2014 đã vinh danh 2 nguyên lý riêng rẽ. Một nguyên lý thúc đẩy phương pháp soi kính hiển vi suy giảm phát xạ cảm ứng (STED), do nhà khoa học Stefan Hell phát triển từ năm 2000. Trong đó, hai chùm laze được sử dụng: một kích thích các phân tử phát huỳnh quang tỏa sáng, và một xóa bỏ mọi huỳnh quang. Việc quét mẫu qua từng nanomet đã mang tới hình ảnh với độ phân giải tốt hơn giới hạn 0,2 micromet truyền thống mà nhà vật lý Ernst Abbe đã từng nêu ra. Nghiên cứu một cách độc lập, hai nhà khoa học Eric Betzig và William Moerner đã tạo tiền đề cho nguyên lý thứ hai - kỹ thuật sử dụng kính hiển vi đơn phân tử. Phương pháp này dựa vào khả năng bật và tắt huỳnh quang của các phân tử đơn lẻ. Họ đã mô tả hình ảnh của cùng một khu vực nhiều lần, để một vài phân tử nằm rải rác phát sáng mỗi lần. Việc chồng các hình ảnh này lên nhau tạo ra một siêu hình ảnh phân giải dày đặc ở cấp độ nano. Năm 2006, ông Betzig đã ứng dụng phương pháp này lần đầu tiên.

Giá trị của phát minh đoạt giải thưởng Nobel Hóa học 2014 không chỉ thuần túy về hóa học mà mang hình ảnh của khoa học hiện đại khi các lĩnh vực nghiên cứu không còn biên giới, nghiên cứu liên quan kiến thức đa ngành. Công trình “phá vỡ rào cản của kính hiển vi quang học” của ba nhà khoa học đến từ Đức và Mỹ chắc chắn là phát minh được cả thế giới nghiêng mình, tạo nên một cuộc cách mạng trong nghiên cứu loại bệnh và bào chế thuốc. Nhờ công trình nghiên cứu mang tính đột phá này, kính hiển vi quang học giờ đây đã có thể đặt chân vào thế giới nano. Ngày nay, kính hiển vi huỳnh quang siêu phân giải (hay còn gọi là kính hiển vi nano) được sử dụng rộng rãi trên thế giới và những kiến thức mới đem lại lợi ích tuyệt vời nhất cho nhân loại đang được phát hiện hằng ngày nhờ công cụ này.

Hãy xem khả năng ứng dụng của nghiên cứu thuộc lĩnh vực này, không giới hạn ở phạm vi hóa học đơn thuần mà có khả năng đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc hóa học ở nhiều lĩnh vực liên ngành. Nhờ phát minh này, những liên kết lâu nay không thể tiệm cận được thì nay có thể quan sát được. Thông qua kính hiển vi nano, các nhà khoa học có thể thấy được quá trình mà các phân tử đơn lẻ bên trong các tế bào sống. Họ có thể thấy được cách các phân tử tạo ra các khớp thần kinh giữa những tế bào thần kinh bên trong não. Họ có thể theo dõi được protein liên quan đến các bệnh như Parkinson hay Alzheimer - những việc mà trước đây các nhà khoa học vẫn bị giới hạn. Khi chúng kết hợp lại, họ có thể lần theo các protein đơn lẻ trong trứng thụ tinh khi phân chia thành phôi thai.

Trước đây, để đạt được độ siêu phân giải khi quan sát các cấu trúc nano, chỉ đạt được trên kính hiển vi điện tử, mà kính hiển vi điện tử không áp dụng được cho các tế bào sống (vì các chùm tia điện tử sẽ giết chết các tế bào sống và ta không thể nhận biết được các thành phần của tế bào sống trên kính hiển vi điện tử). Do vậy, việc phát minh ra kính hiển vi huỳnh quang ở độ siêu phân giải này là một bước đột phá rất lớn trong khoa học sự sống cũng như khoa học vật liệu ứng dụng thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau (chẳng hạn như nghiên cứu chế tạo các vật liệu nano đưa vào trong tế bào sống phục vụ nghiên cứu y – sinh và chữa các bệnh hiểm nghèo). Kết quả này đã mở ra các hướng nghiên cứu liên ngành giữa các ngành khoa học cơ bản như hóa học - vật lý - sinh học, khoa học sự sống và thậm chí cả khoa học tính toán y - sinh (mô hình hóa ở mức nano, nay được quan sát, kiểm chứng).

Cũng có thể nói đây là một minh chứng cho những nỗ lực không mệt mỏi của cả cộng đồng khoa học nói chung và các nhà hóa học nói riêng đã vượt qua các thách thức trong nghiên cứu để ngày càng tiếp cận sâu đến thế giới khách quan như thế nào. Việc vinh danh công trình này là nguồn động viên cổ vũ tinh thần rất lớn cho những nhà khoa học đang hi sinh quên mình và táo bạo đi tìm lời giải cho các vấn đề khó, hóc búa, tưởng chừng không có lời giải của khoa học…