Luận văn Nghiên cứu mô hình vật lý của virut

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- BÙI THỊ LỆ QUYÊN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA VIRUT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Bùi Thị Lệ Quyên NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA VIRUT Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết – Vật lý toán Mã số: 60. 44. 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt HÀ NỘI – 2011 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới GS.TSKH Nguyễn Ái Việt - người thầy đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình tôi làm luận văn. Xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật Lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên và đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Vật lý lý thuyết đã trực tiếp gảng dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này. Cảm ơn các thầy cô, các anh chị và các bạn trong viện vật lý đã giúp đỡ, tạo môi trường làm việc tốt nhất cho tôi trong quá trình làm luận văn. Cảm ơn các đồng nghiệp trong bộ môn Y Vật Lý và các thầy trong Ban giám hiệu trường Đại học Y Thái Bình đã tạo điều kiện cho tôi được đi học và hoàn thành tốt luận văn của mình. Con xin cảm ơn gia đình đã cổ vũ, động viên và là chỗ dựa tinh thần cho con trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình con làm luận văn. Hà nội, ngày 10 tháng10 năm 2011 Bùi Thị Lệ Quyên Mục lục Mở đầu 1 Chương 1. Tổng quan về virut ..................................................................... 5 1.1 Lịch sử nghiên cứu về virut.................................................................... 5 1.2 Các định nghĩa về virut.......................................................................... 7 1.3 Hình thái, cấu trúc và đặc tính của virut................................................ 9 1.4 Tính tự nhiên của virut......................................................................... 15 Chương 2. Mô hình lý thuyết Ohshima cho hạt nanô xốp ....................... 18 2.1 Phương trình Poisson – Boltzman ...................................................... 19 2.2 Thế Donnan ......................................................................................... 22 2.3 Độ linh động điện chuyển của hạt nanô xốp ....................................... 24 Chương 3. Mô hình bề mặt đơn giản của virut ........................................ 33 3.1 Kết quả thực nghiệm đối với thực khuẩn thể MS2..............................33 3.2 Mô hình của Ohshima ......................................................................... 36 3.3 Mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng ......................................... 40 3.4 Gần đúng Padé .................................................................................... 42 3.5 Gần đúng Padé mở rộng ..................................................................... 44 Kết luận 47 Tài liệu tham khảo 48 Danh sách hình vẽ Hình 1.1. Kích thước và hình thái của một số virut điển hình......................... 9 Hình 1.2. Cấu trúc đối xứng xoắn của virut .................................................. 10 Hình 1.3. Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện ............................................. 11 Hình 1.4. A- Sơ đồ virut hình que với cấu trúc đối xứng xoắn; B - Sơ đồ virut đa diện đơn giản nhất; C – Sự đối xứng của hình đa diện ............................. 12 Hình 1.5. Cấu tạo virut có vỏ ngoài ...............................................................13 Hình 1.6. Các virut khác nhau dưới kính hiển vi điện tử................................16 Hình 2.1. Một hạt xốp trở thành một hạt cứng khi bỏ đi lớp bề mặt và trở thành khối cầu rỗng các chất điện phân khi bỏ đi hạt ở nhân ........................ 19 Hình 2.2. Giản đồ biểu diễn phân bố ion (a) và phân bố thế (b) cắt ngang của một lớp bề mặt có thể bị xâm nhập bởi ion ................................................... 20 Hình 2.3. Một hạt xốp được đặt trong điện trường ngoài E. Bán kính lõi a và bề dày lớp điện phân d bao quanh hạt (b = a + d) ........................................ 24 Hình 2.4. Biểu diễn lược đồ của sự phân bố vận tốc chất lỏng u(x). (a) là sự phân bố thế ψ(x); (b) xung quanh một hạt xốp và độ linh động điện chuyển của một hạt xốp phụ thuộc vào nồng độ điện phân n (c) (bên trái), so với hạt cứng (bên phải)............................................................................................... 32 Hình 3.1. Hình ảnh chụp MS mất ARN (a) và MS2 chưa xử lí (b) bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................................................................. 33 Hình 3.2. Hình ảnh SAXS của MS2 và MS2 mất ARN có nồng độ khác nhau và tách riêng trong môi trường 100mM CaCl2 .............................................. 34 Hình 3.3. Độ linh động điện chuyển của MS2 chưa xử lí và MS2 mất ARN trong dung dịch 1mM NaCl có nồng độ pH thay đổi do HCl và NaOH ....... 35 Hình 3.4. Độ linh động điện chuyển của MS2 chưa xử lí và MS2 mất ARN trong dung dịch NaCl (a) và CaCl2 (b) có nồng độ pH 5.9 không đổi .......... 36 Hình 3.5. Kết quả tính toán cho truờng hợp năng lượng năng lượng điện tích lõi rất nhỏ so với vỏ capsid. ........................................................................... 39 Hình 3.6. Đồ thị phân bố điện thế lớp vỏ virut theo mô hình của Ohshima. Kết quả được vẽ theo sự phụ thuộc vào bán kính của virut.................................. 40 Hình 3.7. Đồ thị phân bố điện thế lớp của vỏ virut theo mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng và mô hình Ohshima.................................................... 42 Hình 3.8. Đồ thị phân bố điện thế lớp của vỏ virut theo mô hình gần đúng Padé và mô hình Ohshima ........................................................................... 45 MỞ ĐẦU Từ nửa cuối thế kỉ XX khoa học phát triển rất mạnh theo định hướng kết hợp. Thông thường, mỗi ngành khoa học đều có đối tượng riêng, hệ thống khái niệm riêng, phương pháp riêng và những quy luật riêng của chính mình. Trong giai đoạn kết hợp, khi đi tìm con đường phát triển tiếp theo, không ít ngành khoa học đã tìm cách ứng dụng những khái niệm, những phương pháp, những quy luật của mình lên đối tượng vốn là truyền thống nghiên cứu của các ngành khoa học khác. Hoá sinh, lý sinh là những ngành mới hình thành theo xu hướng ấy, những ngành khoa học độc lập mang đặc trưng liên ngành hay giao ngành. Và trên thực tế, những ngành khoa học mới như vậy đã đem lại những hiểu biết mới mẻ về sự sống, để rồi trên cơ sở đó đem lại những tiến bộ quan trọng trong y học. Lý sinh chính là sự xâm nhập một cách hệ thống và trọn vẹn của vật lý vào sinh học. Trong giai đoạn đầu, nhìn chung vật lý chỉ lấy thế giới không sống làm đối tượng nghiên cứu của mình. Nhưng rồi càng ngày sự sống càng trở nên một thách thức lớn lao, một niềm khao khát khám phá mãnh liệt, khiến các nhà vật lý không thể không lưu tâm. Sự sống có tuân theo các quy luật vật lý hay không, và nếu có, hình thức thể hiện của nó có gì khác với vật lý thông thường?... Mặt khác, chính các nhà sinh vật học, khi tìm hiểu các quy luật về sự sống, đã bắt đầu tìm kiếm sự hỗ trợ của các khái niệm và phương pháp vật lý. Cuốn sách nhỏ của Schrodinger, một nhà vật lý nổi tiếng mà tên tuổi đã trở thành bất tử trong vật lý lượng tử, mang một tên gọi rất sinh vật: “Sự sống là gì?”, là một bước mở đầu như thế. Xa hơn nữa là những nghiên cứu về chuyển động của máu trong hệ tuần hoàn, là cơ chế hấp thụ âm thanh hay ánh sáng của cơ thể sống ngay từ thế kỉ XVII Đến giữa thế kỉ XX, đã hình thành đầy đủ các học thuyết về sinh học phóng xạ, năng lượng sinh vật học, quang sinh học Có thể xem lý sinh là ngành khoa học nghiên cứu những quá trình vật lý và hoá lý xảy ra trong cơ thể sống, nghiên cứu tính chất và cấu trúc của các cao phân tử sinh vật cũng như ảnh hưởng của các tác nhân vật lý lên các hệ thống sống. Chính trên cở sở của những nghiên cứu đó, đã hình thành những phương pháp, tạo ra những thiết bị giúp chúng ta vừa tìm hiểu thế giới sống sâu sắc hơn lại vừa tác động lên cơ thể sống một cách hiệu quả hơn. Lý sinh đã ra đời như một tất yếu trong quy luật phát triển nội tại của bản thân hệ thống khoa học. Bước sang thế kỉ XXI, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ nano trong bán dẫn, điện tử, các vật liệu mới, nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực lý sinh ở cấp độ phân tử đã trở thành một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu là các hệ sinh học với kích thước từ vài đến vài trăm nanomet như các loại virut, protein, ADN, ARN, các màng sinh chất, các quá trình xảy ra trong tế bào Bằng các phương pháp thực nghiệm tiên tiến như cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), tán xạ tia X, hiển vi lực nguyên tử (AFM) .... người ta đã có thể xác định được chính xác cấu trúc 3 chiều của protein và ADN, kéo duỗi từng phân tử protein hoặc ADN bằng các lực cơ học cỡ nano niutơn, tìm hiểu cơ chế của một số dịch bệnh do vi rút gây nên (bệnh đậu mùa, cúm ...)... Các nghiên cứu lý thuyết cũng phát triển mạnh mẽ sử dụng các công cụ mô phỏng máy tính như động học phân tử, Monte Carlo ở các cấp độ lượng tử, cổ điển và bán cổ điển. Vào những năm đầu của thế kỷ trước các virut đầu tiên được phân loại chỉ bằng một cách đơn giản là cho chúng đi qua màng lọc vi khuẩn. Nhưng khi số lượng virut tăng lên thì lúc đó phải phân biệt chúng dựa vào kích thước, vào vật chủ và vào các triệu trứng bệnh do chúng gây ra. Ví dụ, tất cả các virut động vật có khả năng gây viêm gan đều xếp thành một nhóm gọi là virut viêm gan hay tất cả các virut thực vật có khả năng gây đốm trên lá cây đều xếp vào một nhóm gọi là virut đốm. Về sau, vào những năm 30, nhờ sự bùng nổ về kỹ thuật, đã giúp người ta mô tả được các đặc điểm vật lý của nhiều loại virut, cung cấp nhiều đặc điểm mới để có thể phân biệt được các virut khác nhau. Các kỹ thuật này bao gồm phương pháp phân lập, tinh sạch virut, xác định đặc điểm hoá sinh của các virion, các phương pháp huyết thanh học và đặc biệt là sự ra đời của kính hiển vi điện tử đã giúp mô tả được hình thái của nhiều loại virut khác nhau. Bản luận văn này cũng đi theo hướng liên ngành nói trên. Ở đây chúng tôi nghiên cứu mô hình vật lí của virut với mong muốn đưa ra kết quả đơn giản hơn so với các mô hình virut trước đây của các tác giả khác. Trong bản luận văn này chúng tôi tìm hiểu mô hình virut của Ohshima, xây dựng mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng và dùng phương pháp gần đúng Padé để tìm ra phân bố thế của bề mặt virut. Và kết quả thu được hi vọng sẽ đáp ứng tốt hơn mong muốn của các nhà nghiên cứu thực nghiệm. Luận văn này gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo. Phần mở đầu giới thiệu một cách khái quát đối tượng nghiên cứu, phương pháp và mục đích nghiên cứu của luận văn. Chương I: Tổng quan về virut Chương II: Mô hình lý thuyết Ohshima của hạt nanô xốp Chương III: Mô hình bề mặt đơn giản của virut Phần kết luận chúng tôi khái quát lại những kết quả đã thu được trong luận văn và so sánh sự phù hợp của nó với các kết quả hiện nay và đưa ra gần đúng Padé mở rộng có tính tổng quát hơn. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIRUT 1.1 Lịch sử nghiên cứu của virut "Virut" từ lâu đã được dùng để chỉ các chất độc ví như nọc độc rắn sau này để chỉ các nhân tố gây bệnh dịch do nhiễm trùng. Vào cuối thế kỉ 19 người ta đã phân lập nhiều loại vi khuẩn và chứng minh chúng gây ra nhiều loại bệnh dịch. Nhưng có một số bệnh dịch lại không do vi khuẩn gây ra như dịch lở mồm, long móng và huỷ hoại da ở động vật, đậu mùa, viêm não, quai bị.... mà nguyên nhân lại do virut [1]. Ngay từ năm 1883 nhà khoa học người Đức Adolf Mayer khi nghiên cứu bệnh khảm cây thuốc lá đã nhận thấy bệnh này có thể lây nếu phun dịch ép lá cây bị bệnh sang cây lành, tuy nhiên ông không phát hiện được tác nhân gây bệnh. Năm 1884 Charles Chamberland đã sáng chế ra màng lọc bằng sứ để tách các vi khuẩn nhỏ nhất và vào năm 1892 nhà thực vật học người Nga Dimitri Ivanovski đã dùng màng lọc này để nghiên cứu bệnh khảm thuốc lá. Ông nhận thấy dịch ép lá cây bị bệnh đã cho qua màng lọc vẫn có khả năng nhiễm bệnh cho cây lành và cho rằng tác nhân gây bệnh có lẽ là vi khuẩn có kích thước nhỏ bé đến mức có thể đi qua màng lọc, hoặc có thể là độc tố do vi khuẩn tiết ra. Giả thuyết về độc tố qua màng lọc đã bị bác bỏ. Vào năm 1898 khi nhà khoa học người Hà Lan Martinus Beijerinck chứng minh được rằng tác nhân lây nhiễm là chất độc sống (Contagium vivum fluidum) và có thể nhân lên được. Ông tiến hành phun dịch ép lá cây bệnh cho qua lọc rồi phun lên cây và khi cây bị bệnh lại lấy dịch ép cho qua lọc để phun vào các cây khác. Qua nhiều lần phun đều gây được bệnh cho cây. Điều đó chứng tỏ tác nhân gây bệnh phải nhân lên được vì nếu là độc tố thì năng lực gây bệnh sẽ phải dần mất đi. Năm 1901 Walter Reed và cộng sự ở Cuba đã phát hiện tác nhân gây bệnh sốt vàng, cũng qua lọc. Tiếp sau đó các nhà khoa học khác phát hiện ra tác nhân gây bệnh dại và đậu mùa. Tác nhân gây bệnh đậu mùa có kích thước lớn, không dễ qua màng lọc, do đó các tác nhân gây bệnh chỉ đơn giản gọi là virut. Năm 1915 nhà vi khuẩn học người Anh Frederick Twort và năm 1917 nhà khoa học người Pháp Felix d'Hérelle đã phát hiện ra virut của vi khuẩn và đặt tên là Bacteriophage gọi tắt là phage. Năm 1935 nhà khoa học người Mỹ Wendell Stanley đã kết tinh được các hạt virut gây bệnh đốm thuốc lá (TMV). Rồi sau đó TMV và nhiều loại virut khác đều có thể quan sát được dưới kính hiển vi điện tử. Như vậy nhờ có kỹ thuật màng lọc đã đem lại khái niệm ban đầu về virut và sau đó nhờ có kính hiển vi điện tử đã có thể quan sát được hình dạng của virut, tìm hiểu được bản chất và chức năng của chúng [1]. Ngày nay virut được coi là thực thể chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước siêu nhỏ và có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm một loại acid nucleic, được bao bởi vỏ protein. Muốn nhân lên virut phải nhờ bộ máy tổng hợp của tế bào, vì thế chúng là ký sinh nội bào bắt buộc. Virut có khả năng gây bệnh ở mọi cơ thể sống từ vi khuẩn đến con người, là thủ phạm gây thiệt hại nặng nề cho ngành chăn nuôi, gây thất bát mùa màng và cản trở đối với ngành công nghiệp vi sinh vật [9] . Từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX trở lại đây ngày càng xuất hiện các dạng virut mới lạ ở người, động vật mà trước đó y học chưa hề biết tới, đe doạ mạng sống của con người. Sau HIV, SARS, Ebola, cúm A H5N1 sẽ còn bao nhiêu loại nữa sẽ xuất hiện để gây tai hoạ cho con người. Mặt khác, do có cấu tạo đơn giản và có genom nhiều kiểu với cơ chế sao chép khác hẳn ở các cơ thể khác nên virut được chọn là mô hình lý tưởng để nghiên cứu nhiều cơ chế sinh học ở mức phân tử dẫn đến cuộc cách mạng sinh học cận đại: Sinh học phân tử, di truyền học phân tử. Vì những lý do trên việc nghiên cứu virut đã được đẩy mạnh và trở thành một ngành khoa học độc lập rất phát triển [1], [7] . 1.2 Các định nghĩa về virut Người ta định nghĩa virut theo nhiều cách: 1.2.1 Định nghĩa theo kích thước Độ lớn của virut có kích thước dưới kính hiển vi, có nghĩa là nó có kích thước nhỏ hơn cả sự phân biệt bằng kính hiển vi quang học. Kích thước của virut khác nhiều so với vi khuẩn. Kích thước của virut lớn nhất là 400nm và nhỏ nhất là 13nm - 20nm. Đo kích thước của virut tương đối dễ dàng và chính xác. Đối với virut có kích thước lớn có thể đo bằng kính hiển vi thường, bằng phương pháp nhuộm màu, còn loại virut có kích thước nhỏ có thể đo và quan sát dưới kính hiển vi điện tử. Độ lắng của virut tỉ lệ với kích thước của virut, ngoài ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như nhiệt độ của môi trường, độ nhớt, tốc độ quay và kích thước trục quay. 1.2.2 Định nghĩa theo sự sinh sản Virut có khả năng sinh sản nghĩa là từ một phần virut xuất hiện thành 10 - 100 các phần mới. Quá trình sinh sản của virut chỉ xảy ra bên trong tế bào. Mỗi virut sinh sản đặc biệt ở mỗi nơi khác nhau. Nó không có khả năng sinh sản ở ngoài tế bào sống. Virut sinh sản ở từng loại tế bào là khác nhau. Chúng nhờ tế bào vật chủ để tạo ra các virut mới. 1.2.3 Định nghĩa theo sự gây bệnh Virut sau khi chui vào tế bào vật chủ gây ra ở đó quá trình nhiễm bệnh. Dấu hiệu là tế bào bị bệnh khác với tế bào bình thường về cấu trúc kháng nguyên. Tế bào sau khi bị virut xâm nhập đã trở thành nguyên liệu virut. Một cơ thể nhất định nếu có nhiều tế bào bị hỏng thì xuất hiện dấu hiệu bệnh. 1.2.4 Định nghĩa theo sự nhiễm Virut là tác nhân mang, nếu như ta tách virut từ tế bào này mang đến tế bào khác thì khả năng này không làm được. Ở cơ quan này thì sinh sản bình thường nhưng không có khả năng chui vào tế bào mới. Virut cũng mất tính chất nhiễm như ở vi khuẩn bởi các tác nhân vật lí, hoá học, tia tử ngoại, ester...., nhưng glycerin lại làm tăng hoạt động của virut. 1.2.5 Định nghĩa về mặt di truyền Virut như là một cá thể trong khi nhân lên cho ra các cá thể con và đồng thời xuất hiện những đặc điểm di truyền. Thường gặp trong tự nhiên hay khi thí nghiệm có thể xuất hiện sự thích nghi của virut đến mỗi vật chủ nhất định. Ví dụ như ái lực đối với vật chủ và động vật nhất định, bởi chất lượng kháng nguyên, khả năng gây bệnh hay miễn dịch. Tóm lại: Virut là vật thể có kích thước dưới kính hiển vi, cảm ứng ở tế bào sống, có tính chất di truyền, nhiễm và gây nhiễm. Hay có thể nói cách khác: Virut có kích thước nhỏ bé, kí sinh nội bào, có khả năng gây bệnh, kí sinh ở mức độ di truyền [1]. 1.3 Hình thái, cấu trúc và đặc tính của virut 1.3.1 Cấu tạo cơ bản Tất cả các virut đều có cấu tạo gồm hai thành phần cơ bản: lõi là acid nucleic (tức genom) và vỏ là protein gọi là capsid, bao bọc bên ngoài để bảo vệ acid nucleic. Phức hợp bao gồm acid nucleic và vỏ capsid gọi là nucleocapsid hay xét về thành phần hoá học thì gọi là nucleoprotein. Đối với virut ARN thì còn gọi là ribonucleoprotein. Genom của virut có thể là ADN hoặc ARN, chuỗi đơn hoặc chuỗi kép, trong khi genom của tế bào luôn là ADN chuỗi kép, và trong tế bào luôn chứa hai loại acid nucleic, ADN và ARN [11]. 1.3.2 Vỏ capsid Capsid là vỏ protein được cấu tạo bởi các đơn vị hình thái gọi là capsome. Capsome lại được cấu tạo từ 5 hoặc 6 đơn vị cấu trúc gọi là protome. - Pentame (penton) có 5 protome nằm trên các đỉnh của khối đa diện, còn hexame (hexon) tạo thành các cạnh và bề mặt hình tam giác. Hình 1.1: Kích thước và hình thái của một số virut điển hình - Capsid có khả năng chịu nhiệt, pH và các yếu tố ngoại cảnh nên có chức năng bảo vệ lõi acid nucleic. - Trên mặt capsid chứa các thụ thể đặc hiệu, hay là các gai glicoprotein, giúp cho virut bám vào các thụ thể trên bề mặt tế bào. Đây cũng chính là các kháng nguyên kích thích cơ thể tạo đáp ứng miễn dịch. - Vỏ capsid có kích thước và cách sắp xếp khác nhau khiến cho virut có hình dạng khác nhau. Có thể chia ra ba loại cấu trúc: đối xứng xoắn, đối xứng hình khối và cấu trúc phức tạp (Hình 1.1) [1].  Cấu trúc đối xứng xoắn Sở dĩ các virut có cấu trúc này là do capsome sắp xếp theo chiều xoắn của acid nucleic. Tuỳ loại mà có chiều dài, đường kính và chu kỳ lặp lại của các nucleocapsid khác nhau. Cấu trúc xoắn thường làm cho virut có dạng hình que hay hình sợi ví dụ virut đốm thuốc lá (MTV), dại (rhabdo), quai bị, sởi (paramyxo), cúm (orthomyxo). Ở virut cúm các nucleocapsid được bao bởi vỏ ngoài nên khi quan sát dưới kính hiển virut điện tử thấy chúng có dạng cầu. Hình 1.2: Cấu trúc đối xứng xoắn của virut  Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện 20 mặt Ở các virut loại này, capsome sắp xếp tạo vỏ capsid hình khối đa diện với 20 mặt tam giác đều, có 30 cạnh và 12 đỉnh. Đỉnh là nơi gặp nhau của 5 cạnh, thuộc loại này gồm các virut adeno, reo, herpes và picorna. Gọi là đối xứng vì khi so sánh