Bạn đã bao giờ dừng lại và nghĩ về những gì đang diễn ra bên trong tế bào của chính mình ngay lúc này chưa? Những cỗ máy tí hon đang vo ve, protein đang gấp nếp, và các bào quan đang di chuyển khắp nơi - cả một thành phố đang hoạt động mà mắt thường không thể nhìn thấy.

Thông thường, chúng ta sẽ cầm kính hiển vi để nhìn vào bên trong, nhưng kính hiển vi quang học truyền thống lại gặp phải một trở ngại: chúng không thể nhìn sâu vào bên trong tế bào sống mà không gây hại cho chúng.

Đó chính là lúc âm thanh xuất hiện, và tôi không nói về âm nhạc. Hãy tưởng tượng việc sử dụng sóng mà bạn có thể nghe thấy - hoặc ít nhất là siêu âm - để lập bản đồ những bí mật của sự sống. Đó không phải là khoa học viễn tưởng; nó đang diễn ra ngay bây giờ với kính hiển vi dựa trên âm thanh.

Âm thanh có thể "nhìn thấy" tế bào như thế nào

Sóng tần số cao: Không giống như ánh sáng, sóng âm có thể nhấn chìm tế bào mà không làm vỡ chúng. Các nhà nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm vượt xa khả năng nghe của con người—hàng triệu rung động mỗi giây—để phản xạ lại các cấu trúc tế bào và tạo ra hình ảnh. Hãy tưởng tượng nó như sóng siêu âm cho sự sống ở cấp độ vi mô.

An toàn cho tế bào sống: Thuốc nhuộm huỳnh quang và tia laser trong hình ảnh truyền thống có thể gây căng thẳng hoặc làm hỏng tế bào. Sóng siêu âm đi qua một cách vô hại, cho phép các nhà khoa học quan sát chuyển động theo thời gian thực mà không làm thay đổi hành vi.

Hình ảnh phân lớp: Bằng cách điều chỉnh tần số, bạn có thể "cắt" qua các phần khác nhau của tế bào. Điều này cho phép tạo ra bản đồ 3D chi tiết về các cấu trúc như nhân, ty thể và túi mà không cần phải cắt mở tế bào.

Hãy tưởng tượng việc theo dõi một ty thể di chuyển qua các nhánh của tế bào thần kinh, hoặc xem một túi vận chuyển protein—tất cả trong khi tế bào vẫn sống bình thường. Kính hiển vi âm thanh mở ra một cánh cửa mà trước đây không thể.

Tại sao các nhà nghiên cứu hào hứng

Ghi lại chuyển động theo thời gian thực: Việc quan sát các bào quan chuyển động cung cấp cái nhìn sâu sắc về các bệnh như thoái hóa thần kinh. Nếu quá trình vận chuyển bên trong tế bào chậm lại, bạn có thể phát hiện các dấu hiệu cảnh báo sớm từ rất lâu trước khi các triệu chứng xuất hiện.

Theo dõi phản ứng của tế bào: Tế bào phản ứng với căng thẳng, hóa chất hoặc thuốc bằng cách thay đổi hình dạng hoặc chuyển động. Kính hiển vi siêu âm cho phép các nhà khoa học theo dõi những phản ứng này diễn ra ngay lập tức, cung cấp hình ảnh động thay vì ảnh chụp nhanh tĩnh.

Mở khóa tương tác 3D: Hình ảnh truyền thống làm phẳng tế bào thành các lát cắt 2D. Âm thanh cho phép chụp ảnh thể tích, hiển thị cách các thành phần tế bào tương tác trong không gian ba chiều—một bước tiến lớn để hiểu các quá trình phức tạp như phân chia tế bào hoặc phản ứng miễn dịch.

Tác động hàng ngày của việc nhìn nhận tế bào theo cách khác biệt

Thử nghiệm thuốc tốt hơn: Bằng cách quan sát tế bào ở trạng thái tự nhiên, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm các phương pháp điều trị hiệu quả hơn. Ví dụ, họ có thể biết liệu thuốc điều trị ung thư có thực sự ngăn chặn tế bào khối u di chuyển hay không mà không cần phải chờ nhiều ngày để có dấu hiệu gián tiếp.

Chẩn đoán được cải thiện: Hình ảnh siêu âm ở cấp độ vi mô một ngày nào đó có thể giúp bác sĩ phát hiện bệnh ở giai đoạn sớm nhất bằng cách phát hiện những thay đổi tế bào tinh vi mà các phương pháp truyền thống không thể nhìn thấy.

Những tiến bộ trong kỹ thuật sinh học: Các kỹ sư mô có thể theo dõi cách tế bào gốc biệt hóa thành tế bào tim hoặc tế bào thần kinh theo thời gian thực, giúp cải thiện tỷ lệ thành công của các liệu pháp tái tạo.

Âm học, hay khoa học về âm thanh, “là một lĩnh vực lâu đời và đã được khẳng định”, nhà vật lý Andrea Alù thuộc Đại học Thành phố New York cho biết. “Siêu vật liệu có thể được sử dụng trên tường và cửa sổ của các tòa nhà thông minh để điều khiển và định tuyến sóng điện từ theo ý muốn”, Alù viết trong phần kết luận. “Các siêu bề mặt có cấu trúc nano có thể thu nhỏ các thiết bị quang học cồng kềnh thành các thiết bị mỏng hơn sợi tóc người, nâng cao công nghệ hình ảnh, cảm biến và thu thập năng lượng. Siêu vật liệu âm thanh và cơ học có thể định tuyến và kiểm soát âm thanh với mức độ kiểm soát chưa từng có.”

Thách thức và bước tiếp theo

Giới hạn độ phân giải: Bước sóng siêu âm lớn hơn ánh sáng, vì vậy những cấu trúc nhỏ nhất vẫn khó phân tích. Các nhà nghiên cứu đang kết hợp âm thanh với các phương pháp hình ảnh khác để tận dụng tối đa cả hai.

Dữ liệu phức tạp: Một phiên chụp ảnh duy nhất tạo ra một lượng thông tin khổng lồ. Các thuật toán tiên tiến và AI đang được sử dụng để chuyển đổi tiếng vang siêu âm thô thành hình ảnh rõ nét, có thể sử dụng được.

Khả năng tiếp cận: Kính hiển vi siêu âm cao cấp rất đắt tiền và đòi hỏi chuyên môn kỹ thuật. Việc mở rộng công nghệ này để sử dụng rộng rãi hơn trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới là một bước tiến quan trọng tiếp theo.

Bất chấp những thách thức này, tiến trình này thật đáng kinh ngạc. Mỗi bước đột phá đưa chúng ta đến gần hơn với việc quan sát sự sống diễn ra ở cấp độ tế bào theo những cách hoàn toàn lý thuyết một thập kỷ trước.

Trong cuộc sống hàng ngày, hãy nhớ rằng bên trong mỗi tế bào của bạn, một thành phố nhộn nhịp đang chuyển động. Nhờ kính hiển vi dựa trên âm thanh, cuối cùng các nhà khoa học đã có thể nghe lén thế giới ẩn giấu này mà không làm phiền nó. Giống như đang lắng nghe một dàn nhạc đang chơi bên trong bạn, mỗi nốt nhạc là một protein hay bào quan nhỏ bé, đang trình diễn một bản giao hưởng của sự sống. Và càng lắng nghe, chúng ta càng hiểu thêm về điều khiến chúng ta thực sự sống.