Thế giới chắc không như ngày nay

Thế giới chắc không như ngày nay

Bác sĩ trò chuyện

Thế giới chắc không như ngày nay

SGTT.VN - Sự kiện nóng hổi: năm Quốc tế ghi hình tinh thể được khai mạc vào hạ tuần tháng 1.2014 tại trụ sở UNESCO. Thế giới chắc không như ngày nay nếu không có phương pháp ghi hình tinh thể (GHTT) ra đời từ một trăm năm trước. Bao trùm các ngành khoa học, nhưng GHTT còn rất xa lạ với công chúng.

Có 28 giải Nobel, gồm cả vật lý, hoá học và sinh lý hoặc y học liên quan đến GHTT. Không thể kể hết sự đóng góp lớn lao của khoảng 45 nhà khoa học.

Các tinh thể có thể gặp bất cứ nơi nào trong thiên nhiên, đặc biệt dẫy đầy trong các loại đá cũng như khoáng sản (kim cương, graphit...) hoặc dưới dạng băng tuyết, nước đá hoặc hột muối. Từ thời cổ, các học giả đã ngất ngây về vẻ đẹp của các tinh thể do dạng đối xứng và lắm màu sắc. Người ta dùng toán học để nghiên cứu hình dạng của các tinh thể trong thiên nhiên.

Bắn các tia X vào tinh thể

Vào đầu thế kỷ 20, các tia X được dùng để “nhìn thấy” cấu trúc của vật chất.

Các tia X được Röntgen khám phá năm 1985 và nhận giải Nobel Vật lý đầu tiên năm 1901 rồi. Von Laue và cha con Bragg đã tạo ra phương pháp gọi là Ghi hình tinh thể bằng tia X (X-ray crystallography) công dụng ngày càng kỳ diệu.

Trong một cuộc trượt tuyết Von Laue nảy ra ý tưởng là khi các tia X đi xuyên qua một tinh thể, chúng có thể dội vào các nguyên tử trong tinh thể và giao thoa với nhau như là các sóng. Ở vài chỗ các sóng có thể gộp lại với nhau, ở các nơi khác loại trừ nhau. Mô hình sóng khuếch tán gom được có thể dùng để tính ra vị trí các nguyên tử đã làm tung toé các tia X lúc đầu. Năm 1912 Von Laue chứng minh lý thuyết của ông trên một mẫu sulfat đồng. Ông nhận giải Nobel Vật lý vào năm 1914.

Giải Nobel ở tuổi 25. Vào năm 2013 hai cha con William Henry Bragg và William Lawrence Bragg thấy được các tia X có thể định được thật chính xác sự sắp xếp các nguyên tử và cấu trúc ba chiều của tinh thể. Từ đây quy luật Bragg giúp con người phát triển ngày càng sâu rộng mọi khoa học về thiên nhiên vì cấu trúc nguyên tử quy định các đặc trưng hoá học và sinh học của vật chất, mà tinh thể là hình thái nổi cộm nhất của vật chất. Bragg con (William Lawrence) 25 tuổi là người trẻ nhất nhận giải Nobel từ trước đến nay.

Rosalind Franklin và bức ảnh số 51 ghi hình tinh thể phân tử DNA.

Thành tựu ngoạn mục

Bức ảnh số 51 của Rosalind Franklin. Một trong những viên đá tảng thành tựu trong thế kỷ 20 là việc khám phá cấu trúc của DNA James Watson và Francis Crick, đoạt giải Nobel Sinh lý hoặc Y học năm 1962 cùng với Maurice Wilkins. Ngày nay, người ta biết rõ hơn là việc khám phá này dựa trên bức ảnh 51 mà Rosalind Franklin đã ghi hình tinh thể DNA bằng tia X. Ảnh được Maurice Wilkins trao Watson mà chủ nhân không hay. Rosalind Franklin chết sớm vì ung thư buồng trứng năm 1958 đoạt giải Nobel. Tiếc cho hồng nhan đa tài bạc mệnh.

Máy synchrotron và những con vi khuẩn. Là nhà máy của tế bào chế tạo ra các prôtêin, ribôsôm hiện hữu trong mọi sinh vật. Vào năm 2000, Yonath, Steitz và Ramakrishnan công bố gần như đồng thời các thành tựu về cấu trúc ribôsôm. Giải Nobel Hoá học 2009 được trao cho họ. Cả ba đều dùng kỹ thuật hiện đại GHTT. Công đầu là của Ada Yonath. Vào cuối những năm 1970, bà quyết định dùng GHTT. Vi khuẩn Geobacillus thermophilus sống được ở điều kiện khắc nghiệt có ribôsôm bền chắc và thành tinh thể tốt. Phải 20 năm cật lực Yonath mới có được hình ảnh của ribôsôm mà bà có thể định vị từng nguyên tử. Máy synchrotron có thể tạo được tia X mạnh ngang tốc độ ánh sáng. Khi chạm vào tinh thể ribôsôm, các tia X văng tung toé, ghi hàng tỉ chấm trên máy rà CCD. Dùng phần mềm đặc biệt để vẽ hình ảnh ribôsôm.

Một trăm năm dòng chảy

Trong khoảng những năm 1920 và 1960, GHTT bằng tia X phơi bày được một số bí ẩn của cấu trúc của sự sống. Năm 1962 hai nhà John Kendrew và Max Perutz nhận Nobel Hoá học vì lần đầu tiên định được cấu trúc của một prôtêin. Dorothy làm rõ cấu trúc của một số nguyên tử sinh học gồm chất cholesterol (1937), penicillin 1946, vitamin B12 (1956) và insulin 1969. Bà nhận Nobel Hoá học năm 1964.

Trong 50 năm qua, GHTT tiếp tục phát triển. Giải Nobel 1985 được trao cho Herbert Hauptman và Jerome Karle vì phát minh phương pháp mới để phân tích cấu trúc tinh thể. Nhờ vậy, nhiều cấu trúc tinh thể được tìm ra.

Các giải Nobel còn nóng hổi. Andre Geim và Konstantin Noselor nhận giải Nobel Vật lý 2010 do nghiên cứu chất graphen. Nobel Hoá học 2011 dành cho Dan Shechtman vì khám phá các tinh thể tròm trèm (quasicrystals) – Robert Lefkowitz và Brian Kobika giải Nobel 2012 vì tìm ra các thụ thể gắn kết G. prôtêin, có nhiệm vụ điều hoà hầu hết chức năng của cơ thể con người. Còn nóng hổi hai giải Hoá học 2013.

Các khám phá càng gia tốc. Khoảng mười ngàn cấu trúc mới được ghi hình hàng năm. Ban đầu, nhìn thấy các tinh thể rắn với sự sắp xếp các nguyên tử đều đặn, ví dụ như để khảo sát các khoáng sản. Rồi tới khảo sát được vật chất sinh học như là các prôtêin hoặc DNA bằng cách biến chúng thành tinh thể. Việc phát triển các máy có thể phát ra ánh sáng và các tia X mạnh (synchrotron) làm cuộc cách mạng ghi hình tinh thể trong sinh học, hoá học, vật lý, khoa học vật chất, địa chất và khảo cổ học.

Sau 100 năm phát triển, GHTT bằng tia X trở thành kỹ thuật đứng đầu để nghiên cứu cấu trúc tử của vật chất, trở thành trung tâm của các tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khoa học.

GS.BS Nguyễn Chấn Hùng

Ứng dụng bao trùm Ghi hình tinh thể bằng tia X thâm nhập vào đời sống thường ngày của chúng ta, là cái xương sống của công nghệ ngày càng cần các sản phẩm mới trong chế tạo xe hơi, mỹ phẩm, máy vi tính, cơ điện, dược phẩm, hầm mỏ, hàng hải, không gian và nông nghiệp. Có vài ví dụ: Khoáng sản học. Từ những năm 1920, đã định ra cấu trúc nguyên tử của nhiều khoáng sản và kim loại, đã biết về sự hình thành địa chất và lịch sử địa cầu. Các máy synchrotron giúp các nhà khảo cổ xác định tuổi của cổ vật từ hàng chục ngàn năm, các nhà địa chất có thể định tuổi của các thiên thạch và đất đá từ mặt trăng. Chế tạo dược phẩm phải dựa vào ghi hình tinh thể. Muốn tìm tòi thuốc mới thì trước hết phải tìm ra một phân tử nhỏ có khả năng khoá tay các prôtêin của một vi khuẩn hoặc một virút đặc hiệu tấn công tế bào người. Biết được cấu trúc chính xác của prôtêin này, các nhà khoa học mới thiết kế thuốc bám vào prôtêin và vô hiệu tác dụng độc hại. NASA đã trang bị vệ tinh Curiosty máy đo sự khuếch tán dùng ghi hình tinh thể vào tháng 10.2012 để phân tích các mẫu đất trên sao Hoả. Các kết quả gợi ý là đất trên sao Hoả thì tương tự đất vùng núi lửa Hawaii.