Câu hỏi: Có hình ảnh thực tế nào về DNA không?
Câu Trả lời 1:
Sự tồn tại của DNA đã được lý thuyết hóa từ lâu trước khi nó được "nhìn thấy", bởi vì ngay cả những kính hiển vi thông thường tốt nhất cũng không có khả năng phóng đại để nhìn thấy thứ gì đó nhỏ như một chuỗi phân tử DNA. Với phát minh ra kính hiển vi điện tử, có thể tạo ra hình ảnh của vật liệu ở cấp độ phân tử, DNA có thể được nhìn thấy. Nếu không thể, việc ghép nối gen sẽ không thể thực hiện được. Tuy nhiên, những kính hiển vi như vậy rất tốn kém và đòi hỏi nguồn lực của một phòng thí nghiệm lớn, được tài trợ tốt.
Câu Trả lời 2:
Câu trả lời ngắn gọn : Có — Ít nhất một , một bức ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), được công bố vào tháng 11 năm 2012. Tôi không tìm thấy bức ảnh nào khác (điều này không có nghĩa là không có bức ảnh nào khác).
Trích từ bài viết trên newscientist.com DNA được chụp bằng kính hiển vi điện tử lần đầu tiên:
Những hình ảnh mới rõ ràng hơn nhiều, vì chúng là hình ảnh trực tiếp của các sợi DNA, mặc dù được nhìn thấy bằng electron chứ không phải bằng photon tia X. Thủ thuật được Enzo di Fabrizio tại Viện Công nghệ Ý ở Genoa, Ý và nhóm của ông sử dụng là lấy các sợi DNA ra khỏi dung dịch loãng và đặt chúng trên một lớp trụ silicon nano.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình trụ cực kỳ kỵ nước, khiến độ ẩm bốc hơi nhanh chóng và để lại các sợi DNA kéo dài và sẵn sàng để xem. Nhóm nghiên cứu cũng khoan các lỗ nhỏ ở đáy của lớp trụ nano, qua đó họ chiếu các chùm electron để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao. Kết quả cho thấy sợi xoắn ốc của chuỗi xoắn kép DNA, có thể nhìn thấy rõ ràng. Với kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu sẽ có thể thấy cách các phân tử DNA đơn lẻ tương tác với các phân tử sinh học khác.
Xem thêm câu trả lời của tôi cho bài viết Có hình ảnh thật nào về phân tử DNA (không phải hình ảnh tổng hợp) cho thấy chuỗi xoắn kép không? (có cùng hình ảnh như trong bài viết được trích dẫn ở trên, trừ phần "cận cảnh" có mũi tên màu đỏ).
Đã thêm 2019–05–22:
Lời khẳng định rằng hình ảnh cho thấy "chuỗi xoắn kép DNA, có thể nhìn thấy rõ ràng" có thể là một sự cường điệu nhẹ. Nó trông giống như một đoạn DNA cuộn chặt , không phải là một đoạn DNA xoắn kép "mức thấp nhất" không cuộn. Sẽ cần độ phân giải cao hơn nhiều để thực sự "nhìn thấy" các "xương sống" DNA cuộn.
Tuy nhiên, tuyên bố rằng "Kết quả cho thấy sợi xoắn của DNA" rất có thể là đúng. Nhưng ở cấp độ "xoắn" cao hơn nhiều ...
Xem xét bài báo nghiên cứu gốc (qua bài viết pubs.acs.org Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix ( Francesco Gentile) et al., trong Nano Letters , tháng 11 năm 2012)), bản tóm tắt có đoạn (được in đậm):
Đột phá thử nghiệm là sản xuất các sợi nano DNA ghép đôi mạnh mẽ và có trật tự cao cho phép chụp ảnh TEM trực tiếp
Sợi nano! Thật không may, toàn văn bài viết bị thu phí, nhưng tại thời điểm bài viết trên New Scientist được xuất bản, theguardian.com đã xuất bản bài viết Bạn không thể nhìn thấy DNA trừ khi bạn nhìn kỹ (bởi nhà khoa học Stephen Curry (nhà tinh thể học tia X)), trong đó chúng tôi đọc ( in đậm ):
Tôi rất ngạc nhiên khi tìm thấy rất nhiều thông tin không chính xác trong các bản tóm tắt trên internet về phát hiện mới, được một nhóm người Ý do Enzo di Fabrizio đứng đầu báo cáo trên tạp chí Nano Letters.
Trang web io9.com đã đưa tiêu đề bài viết của George Dvorsky "Các nhà khoa học chụp ảnh chuỗi xoắn kép của DNA lần đầu tiên". Không, họ chưa làm vậy . Bài viết đi kèm xen kẽ sự thật với trí tưởng tượng trước khi kết luận cuối cùng rằng kỹ thuật chụp ảnh mới sẽ cho phép chúng ta thấy "cách nó tương tác với protein và RNA". Không, nó sẽ không làm vậy .
[…]
Mô hình và ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử của sợi DNA (được công bố trên Nano Letters )
[…]
Điểm mới thực sự trong bài báo là các tác giả đã có thể chụp ảnh có độ tương phản cao của sợi DNA (được tạo thành từ một bó xoắn kép DNA) bằng kính hiển vi điện tử. Họ đã làm điều này bằng cách làm khô một giọt DNA hòa tan trong nước trên một lớp silicon đã được chế tạo siêu nhỏ để có một mảng các trụ nhỏ trên bề mặt của nó. Khi nước bốc hơi, các sợi DNA được để lại căng ra giữa các trụ. Vì chúng được treo lơ lửng phía trên đế silicon, nên có thể có được hình ảnh tốt về các sợi DNA
Và chắc chắn, trong bài viết cập nhật trên io9.gizmodo.com Các nhà khoa học chụp được bức ảnh chuỗi xoắn kép của DNA lần đầu tiên, chúng ta thấy suy nghĩ sau đây:
Phụ lục: Một phiên bản trước đó của bài viết này đã nêu sai rằng một chuỗi DNA đơn đã được chụp ảnh — bao gồm cả chuỗi xoắn kép đặc trưng của nó. Thay vào đó, hình ảnh là của một bó các phân tử DNA, chứ không phải là một phân tử riêng lẻ. Ngoài ra, kỹ thuật này sẽ không cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu sự tương tác của RNA và protein. Chúng tôi rất tiếc về những lỗi này.
Và bài viết trên scientificamerican.com có tên là DNA thực sự trông như thế nào đã được thêm vào:
cập nhật: Stephen Curry cung cấp giải thích và chỉnh sửa :
Điểm mới thực sự trong bài báo là các tác giả đã có thể chụp được hình ảnh có độ tương phản cao của sợi DNA (được tạo thành từ một bó xoắn kép DNA) bằng kính hiển vi điện tử. Họ đã làm điều này bằng cách làm khô một giọt DNA hòa tan trong nước trên một lớp silicon đã được chế tạo siêu nhỏ để có một mảng các trụ nhỏ trên bề mặt của nó. Khi nước bốc hơi, các sợi DNA được để lại căng ra giữa các trụ. Vì chúng được treo phía trên đế silicon, nên có thể chụp được hình ảnh tốt của các sợi DNA (bạn sẽ có độ tương phản kém hơn nếu DNA nằm trên một bề mặt rắn)...
Và họ thấy gì? Chắc chắn có một số cấu trúc tinh tế trong hình ảnh. Có những đặc điểm lặp lại về kích thước dự kiến cho cấu trúc xoắn ốc trong DNA. Nhưng các nhà nghiên cứu người Ý đã thấy rõ và lẽ ra phải thấy rõ với bất kỳ ai xem bức ảnh trong bản tóm tắt trực tuyến của họ rằng hình ảnh không phải là một phân tử DNA đơn lẻ mà là một bó DNA.
>thở dài nặng nề<
Chú thích
Đây là danh sách đầy đủ những người đóng góp thư: Francesco Gentile , Manola Moretti , Tania Limongi , Andrea Falqui , Giovanni Bertoni , Alice Scarpellini , Stefania Santoriello , Luca Maragliano , Remo Proietti Zaccaria và Enzo di Fabrizio .
Tên của ông Fabrizio được liệt kê cuối cùng , điều này có thể ám chỉ rằng ông không phải là trưởng nhóm (như bài viết trên tờ New Scientist ngụ ý một cách tinh tế).
Lưu ý rằng chỉ báo tỷ lệ không bị “xóa” (tại sao nó lại bị xóa trong các hình ảnh khác?) — nó ghi là 20 nm . So sánh với hình ảnh Wikipedia này về chế độ xem “sợi 30 nm” của DNA:
Hình ảnh cắt từ bản gốc tìm thấy trong bài viết Chromatin của Wikipedia .
Nguồn: https://www.quora.com/Is-there-a-real-picture-of-a-DNA/answer/Henry-K-O-Norman-1
Câu trả lời 3:
Dưới đây là một số hình ảnh (ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử) của DNA:
Các mũi tên màu vàng đang chỉ vào các bong bóng sao chép, tức là nơi DNA bắt đầu quá trình sao chép chính nó
Đây là hình ảnh chuỗi xoắn kép DNA được chụp bằng kính hiển vi quét đường hầm.
Vâng, với các kỹ thuật kính hiển vi thích hợp, chúng ta có thể quan sát DNA.
Câu trả lời 4:
Nếu bạn đang cố gắng nhìn vào các thang bậc nhỏ của DNA và chromatin, thì không có cơ hội nào. Kính hiển vi quang học bị hạn chế nghiêm trọng về khả năng phân giải của chúng. Ngay cả với ống kính vật kính có khẩu độ số (NA) cao nhất (lý thuyết tối đa là 1,00 đối với không khí và 1,51 trong dầu ngâm), ánh sáng khả kiến hội tụ thực sự chỉ có thể phân giải các cấu trúc lớn hơn 200 nm. DNA có đường kính xoắn ốc khoảng 2 nm. Một nucleosome có đường kính 11 nm và việc đóng gói nucleosome tạo ra một sợi trải rộng 30 nm. Vẫn còn quá nhỏ. Vì vậy, bạn có thể nhìn thấy các vòng chromatin lớn hơn nếu nhãn được dán chính xác và nếu hình ảnh được chụp ở đúng giai đoạn của chu kỳ tế bào.
(hình ảnh được lấy từ Essential Cell Biology, Bray et al., ấn bản lần thứ 3, Hình 5–25)
Những thang tổ chức DNA nhỏ nhất này (đặc biệt là sợi 30 nm) có khả năng được nhìn thấy bằng ánh sáng khả kiến, miễn là các kỹ thuật siêu phân giải được sử dụng. Về lý thuyết, các kỹ thuật này không giới hạn độ phân giải và thực tế chỉ giới hạn ở độ phân giải 10–20 nm.
Câu trả lời 5:
Khi tôi chuẩn bị viết câu trả lời cho câu hỏi này, tôi nhận ra ảnh đại diện của mình là hình ảnh DNA (cộng với một quả cầu vàng lớn), được tạo ra bằng kính hiển vi lực nguyên tử.
Trên thực tế, DNA khá dễ nhìn thấy bằng mắt người, không cần kính hiển vi! Bạn chỉ cần có nhiều DNA… Tôi có một lọ nhỏ DNA sợi đôi trong phòng thí nghiệm, và nó trông giống như hầu hết mọi hợp chất hữu cơ khác… một loại bột màu trắng.
Bây giờ, nếu bạn muốn hình dung từng sợi DNA mạch kép (dạng phổ biến nhất), bạn cần một kính hiển vi tiên tiến. Hoặc là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), cho hình ảnh như thế này:
…hoặc kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), cung cấp hình ảnh như thế này:
Chúc bạn quan sát vui vẻ!
Câu trả lời 6:
Đúng.
Cấu trúc của DNA bằng hình ảnh trực tiếp
Đây có thể không phải là những hình ảnh rõ nét nhất, nhưng chúng được chụp từ kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao và gần giống với hình ảnh trực tiếp của một chuỗi xoắn DNA nhất mà bạn có thể có được. Bản thân chuỗi xoắn hẹp hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến, kính hiển vi điện tử là cách duy nhất để "nhìn thấy" thứ gì đó thực sự vô hình.
Ở độ phân giải thấp hơn một chút, chúng ta có thể thấy các rãnh trên chuỗi xoắn DNA quấn quanh chính nó thành một chuỗi xoắn lớn hơn, nhưng không thấy chi tiết hơn.
Những hình ảnh này là của một phân tử hữu cơ khác, phức tạp hơn so với các đơn vị con của DNA, nhưng chúng cho thấy rằng các mô hình phân tử của chúng ta không hề xa rời thực tế ở quy mô rất nhỏ.
Các nhà khoa học chụp được hình ảnh đầu tiên của các phân tử trước và sau phản ứng
Các hình ảnh mờ ở trên cùng ở đây là giới hạn của những gì kính hiển vi điện tử đường hầm có thể làm, các hình ảnh ở giữa sử dụng một phương pháp khác gọi là kính hiển vi lực nguyên tử không tiếp xúc để 'cảm nhận' vị trí của các electron trong các quỹ đạo phân tử và chi tiết hơn. Và các hình ảnh trông giống như các mô hình ở dưới cùng.
Có lẽ sẽ không thể có được hình ảnh DNA ở mức độ phân giải này, nhưng bạn có thể chụp ảnh ribose hoặc các loại bazơ khác theo cách này.
Có khả năng là các mô hình DNA không còn xa vời nữa.
Câu trả lời 7:
Mặc dù cấu trúc của DNA lần đầu tiên được xác định vào năm 1953, 1 kể từ đó đã có một số nỗ lực không thành công để có được hình ảnh trực tiếp của cấu trúc. Với những hình ảnh trực tiếp như vậy, có thể đánh giá định lượng các kích thước đặc trưng của phân tử. Tuy nhiên, hình ảnh trực tiếp của DNA rất khó có được vì hai lý do chính. Thứ nhất, các thành phần tạo nên phân tử có độ tương phản rất thấp. Ngoài ra, việc chuẩn bị mẫu DNA để chụp ảnh rất khó thực hiện trong khi vẫn giữ được hình dạng và kích thước nguyên sơ của nó.
Trong công trình trước đây, các đại phân tử (như DNA) đã được nghiên cứu rộng rãi thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) 1–3 và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 4. Mặc dù các phương pháp này được hiểu rõ và sử dụng rộng rãi, nhưng chúng có một số hạn chế nghiêm trọng. Ví dụ, để thực hiện phân tích XRD thành công, cần có tinh thể hoặc sợi có trật tự, 5 cũng như một lượng lớn mẫu tinh khiết. Hơn nữa, thông tin thu được có liên quan chặt chẽ đến trạng thái phân tử của tinh thể hoặc sợi và không cung cấp hình ảnh trực tiếp.
Để khắc phục những hạn chế như vậy, trong công trình gần đây của chúng tôi 6,7 , chúng tôi đã phát triển một phương pháp chuẩn bị mới để cho phép kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của axit nucleic. Trong phương pháp tiếp cận của chúng tôi—mà chúng tôi tiến hành ở nhiệt độ phòng và không có bất kỳ quy trình nhuộm mẫu nào—chúng tôi treo một phân tử DNA sợi đôi duy nhất trên một bề mặt siêu kỵ nước và sau đó chụp ảnh trực tiếp bằng TEM có độ phân giải cao (HRTEM). Do đó, chúng tôi có thể thu được hình ảnh TEM cuối cùng của DNA không chứa các thành phần cơ chất 6 và quan sát trực tiếp một chuỗi xoắn kép DNA duy nhất. 7
Trong bước đầu tiên của phương pháp chuẩn bị, chúng tôi pha loãng DNA lambda (tức là DNA từ phage Enterobacteria λ) trong dung dịch đệm muối sinh lý tương thích. Sau đó, dung dịch này được đưa vào một đoạn nhiệt độ để mở các cấu trúc thứ cấp không mong muốn và do đó thu được các phân tử axit nucleic đơn được tách biệt tốt. Sau đó, chúng tôi nhỏ một giọt dung dịch DNA mới chuẩn bị này lên bề mặt siêu kỵ nước, bao gồm các vi trụ silicon được sắp xếp theo hình tròn và có các lỗ giữa các trụ. Sự bay hơi làm giảm thể tích giọt và do đó diện tích tiếp xúc của nó trên bề mặt có hoa văn cũng giảm. Trong quá trình mất nước, giọt lơ lửng rời khỏi các trụ bên ngoài và được ghim vào các trụ bên trong. Do đó, một số phân tử nổi trong dung dịch bị kéo và buộc phải theo chuyển động của giọt. Kết quả của quá trình bay hơi và quá trình giọt lùi phức tạp này, chúng tôi đạt được sự lơ lửng của các phân tử DNA giữa hai hoặc nhiều trụ.
Chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để tiến hành điều tra sơ bộ các mẫu của mình. Từ hình ảnh của một chất cặn muối—xem Hình 1 (A)—chúng tôi quan sát thấy các phân tử DNA được treo giữa các vi trụ và trên các lỗ giữa các trụ. Hình ảnh SEM của các vi trụ và lỗ được hiển thị ở độ phóng đại cao hơn trong Hình 1 (B) và (C). Sau đó, chúng tôi chụp ảnh các mẫu (xem Hình 2 ) bằng cách sử dụng HRTEM hiệu chỉnh quang sai hình cầu mà chúng tôi vận hành ở điện áp tăng tốc electron là 80kV và độ phóng đại khoảng 1 triệu. Với các điều kiện thử nghiệm này, chúng tôi đã đạt được độ phân giải không gian xuống tới khoảng 1,5Å.
Hình ảnh HRTEM của bó DNA (đường kính khoảng 25nm) được hiển thị trong Hình 2 (A), trong đó có thể thấy các viền liên quan đến cấu trúc DNA. Ngoài ra, đối với hình ảnh hiển thị trong Hình 2 (B), chúng tôi đã đạt được độ phân giải dưới chu kỳ và do đó đã tiết lộ chi tiết về gần hai chu kỳ của cấu trúc bên trong của một chuỗi xoắn DNA (dạng A). Từ những hình ảnh như vậy, chúng tôi đã mô tả và đo một số đặc điểm của phân tử, tức là đường kính, rãnh chính và rãnh phụ, độ nghiêng của các cặp bazơ so với trục, bước xoắn và độ tăng trên mỗi cặp bazơ. Chúng tôi thấy rằng các phép đo định lượng của chúng tôi phù hợp tốt với các giá trị tương ứng mà chúng tôi thu được từ XRD.
Bản chất sáng tạo của công trình của chúng tôi có nghĩa là có thể quan sát trực tiếp các đặc điểm trước đây chỉ được nghiên cứu thông qua mô phỏng, ví dụ, chiều dài xương sống và chiều dài cơ sở của cấu trúc DNA (xem Bảng 1 ). Hơn nữa, chúng tôi có thể dễ dàng đo các phân tử ở nồng độ xuống đến phạm vi attomolar (tức là 10 −18 mol/l) bằng phương pháp 9–11 của chúng tôi và do đó chúng tôi có thể vượt qua các giới hạn thể tích mẫu trước đây đối với các phép đo như vậy. Ngoài ra, các dung dịch đệm mà chúng tôi sử dụng cho huyền phù vật liệu hoàn toàn tương thích với—trong một số trường hợp là quan trọng—các điều kiện sinh lý. Do đó, chúng tôi có thể mở rộng phạm vi các phân tử sinh học có thể được nghiên cứu.
| HRTEM | X-quang và | |
|---|---|---|
| Đặc điểm cấu trúc A-DNA | phép đo | dữ liệu mô phỏng |
| (MỘT) | (MỘT) | |
| Đường kính | 21.2 | 23.0 (1) |
| Tăng/BP dọc theo trục | 2,5 | 2.6 (1) |
| Độ cao/vòng xoắn của xoắn ốc | 26,5 | 28.2 (1) |
| Phốt phát + đường (xương sống A 1 ) | 5.1 | 5.3 (2) |
| Cơ sở (B 1 ) | 3.6 | 4.0 (2) |
| Cơ sở (B 2 ) | 5.2 | 5.4 (2) |
| Photphat + đường (xương sống A 2 ) | 5.0 | 5.3 (2) |
| Chiều dài cơ sở (B 1 + B 2 + khoảng cách giữa các cơ sở) | 11.3 | 11.5 (2) |
| Độ nghiêng của cặp bazơ so với trục | 19° | 19° (1) |
| (1) Các giá trị chấp nhận được của tia X có chiều dài liên quan 2,3,8 | ||
| (2) Dữ liệu thu được từ mô phỏng 7,8 | ||
Tóm lại, chúng tôi đã phát triển một phương pháp chuẩn bị mới để cho phép chụp ảnh TEM trực tiếp các đại phân tử như DNA. Chúng tôi cũng đã sử dụng những hình ảnh này để đo các đặc điểm cấu trúc của DNA và chúng tôi thấy rằng kết quả của chúng tôi phù hợp với dữ liệu mô phỏng trước đây. Trong công việc tương lai, chúng tôi cần cải thiện độ tương phản của hình ảnh để giảm thiểu thiệt hại do chùm mẫu gây ra. Kết quả sơ bộ của chúng tôi đối với các phân tử DNA đã minh họa cho tính linh hoạt của phương pháp tiếp cận của chúng tôi, vì đây là những thành phần cơ bản của tất cả các vật chất sinh học. Do đó, kỹ thuật của chúng tôi có thể được sử dụng như một 'bàn làm việc' để nghiên cứu sự tương tác của DNA với các chất khác (ví dụ: chất xen kẽ và thuốc hóa trị liệu) và hỗ trợ các nghiên cứu về cấu trúc của các phân tử sinh học khác (ví dụ: protein sửa chữa và histon).
Monica Marini giữ vị trí sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học Vật lý và Kỹ thuật. Các mối quan tâm nghiên cứu của cô tập trung vào việc chụp ảnh và mô tả đặc điểm của các phân tử sinh học độc lập (như axit nucleic) và tương tác của chúng với các vật liệu khác (ví dụ, histone, protein sửa chữa, intercalant và tác nhân hóa trị liệu).
Andrea Falqui là phó giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Sinh học. Lĩnh vực chuyên môn của ông là chụp ảnh (bằng kính hiển vi điện tử tiên tiến) các vật liệu nano và sinh học, và các vật liệu sinh học tương tác với các cấu trúc nano. Ông là đồng tác giả của hơn 150 bài báo khoa học.
Enzo di Fabrizio là giáo sư tại Khoa Khoa học Vật lý và Kỹ thuật. Ông chủ yếu quan tâm đến việc nghiên cứu vật liệu và đại phân tử ở cấp độ nano, cũng như cấu trúc và chức năng của chúng (thông qua các phương pháp quang phổ mới được trung gian bởi các cấu trúc nano).