Vi khuẩn giải mã bí mật di truyền
29/05/26
Trước khi DNA trở thành biểu tượng của sinh học hiện đại, phần lớn giới khoa học từng tin rằng protein mới là nền tảng của sự sống. Câu trả lời làm thay đổi thế kỷ 20 lại đến từ thí nghiệm kỳ lạ với vi khuẩn gây viêm phổi, chuột chết và máy tách kem trong bếp.
DNA từng bị xem thường
Ngày nay, gen được mã hóa trong DNA nghe như chân lý hiển nhiên; có mặt trong sách giáo khoa, xét nghiệm huyết thống, công nghệ sinh học, y học chính xác và cả những cuộc điều tra hình sự. Tuy nhiên, nửa đầu thế kỷ 20, ý tưởng này từng bị xem là lập dị.
Lúc này, phần lớn các nhà khoa học tin rằng vật chất di truyền phải là protein. Protein có 20 loại amino acid, có thể kết hợp thành vô số chuỗi phức tạp, đủ sức mang thông tin phong phú của sự sống. DNA, trái lại, chỉ có bốn “chữ cái” hóa học. Tệ hơn, các bằng chứng khiến nhiều người tưởng rằng bốn thành phần này xuất hiện theo tỷ lệ đều đặn, lặp lại nhàm chán. Phân tử đơn điệu có thể là vật liệu cấu trúc, nhưng khó là kho lưu trữ bí mật di truyền.
Ngay cả khái niệm “gen” cũng chưa rõ ràng. Gregor Mendel chứng minh đặc điểm di truyền được truyền qua những yếu tố riêng biệt, không đơn giản hòa trộn giữa cha và mẹ. Tuy nhiên, suốt nhiều thập niên, giới khoa học vẫn tranh cãi gen là hạt vật chất, phản ứng hóa học, hay chỉ là tên gọi tạm cho điều họ chưa hiểu. Để phá thế bế tắc, cần thí nghiệm quyết định: lấy chất từ sinh vật này, đưa vào sinh vật khác, sau đó thấy đặc tính di truyền thay đổi. Điều này tưởng không thể đến khi vi khuẩn bước lên sân khấu.
Thí nghiệm làm chết chuột
Đầu thế kỷ 20, vi khuẩn không được giới di truyền học coi trọng. Chúng bị xem như những túi enzyme nhỏ bé, quá đơn giản để tiết lộ quy luật sâu xa của sự sống. Có người thậm chí nghi ngờ chúng có gen. Năm 1928, Frederick Griffith, nhà vi khuẩn học người Anh làm đảo lộn định kiến. Ông nghiên cứu phế cầu khuẩn, tác nhân gây viêm phổi. Loài vi khuẩn này có hai dạng đáng chú ý. Dạng S có bề mặt trơn, được bao bọc bởi lớp vỏ giúp tránh hệ miễn dịch, nên có thể gây chết. Dạng R thô ráp, thiếu lớp vỏ, thường vô hại.
Griffith tiêm vào chuột hai thứ riêng rẽ: vi khuẩn R còn sống nhưng không độc, và vi khuẩn S bị giết bằng nhiệt. Mỗi loại, nếu dùng riêng, đều không gây chết chuột. Tuy nhiên, khi ông trộn chúng với nhau, chuột chết. Kỳ lạ hơn, từ xác chuột, Griffith thu được vi khuẩn S còn sống. Các vi khuẩn R vô hại tiếp xúc với xác vi khuẩn S chết và biến thành dạng S nguy hiểm. Sự thay đổi không phải thoáng qua mà được truyền lại cho các thế hệ vi khuẩn sau. Một “thứ gì đó” từ tế bào chết đi vào tế bào sống và viết lại số phận di truyền. Griffith chưa biết thứ đó là gì, nhưng ông đã chọn mở cánh cửa.
Avery và cuộc truy tìm “nguyên lý biến nạp”
Tại Viện Rockefeller ở New York, Oswald Avery hiểu ngay tầm quan trọng của phát hiện này. Ông dành nhiều năm nghiên cứu phế cầu khuẩn. Nếu tìm được chất làm vi khuẩn biến đổi, ông có thể trả lời câu hỏi lớn nhất của sinh học: gen được làm từ gì. Công việc không lãng mạn như những câu chuyện khám phá khoa học thường được kể lại. Avery cùng Colin MacLeod và Maclyn McCarty phải nuôi lượng vi khuẩn khổng lồ, có lúc tới 75 l dịch nuôi cấy, chỉ để thu được vài chục mg chất nghi vấn. Họ cải tiến máy tách kem chạy bằng hơi nước, vốn dùng trong nhà bếp, để tách tế bào vi khuẩn khỏi dung dịch.
Thiết bị không sinh ra để xử lý mầm bệnh. Những khe hở nhỏ có thể phun vào phòng thí nghiệm làn sương vô hình chứa phế cầu khuẩn nguy hiểm. Nhóm nghiên cứu phải dựng buồng bảo vệ, khử trùng cẩn thận và xử lý phần vi khuẩn thu được bằng khăn tẩm thuốc diệt khuẩn. Sau nhiều công đoạn, họ thu được hỗn hợp có khả năng biến vi khuẩn R thành S và gọi đây là “nguyên lý biến nạp”. Trong hỗn hợp có nhiều thành phần: protein, đường, RNA và DNA. Thành phần nào mới là thủ phạm?
Chiếc kéo enzyme và câu trả lời bất ngờ
Avery và cộng sự dùng enzyme như những chiếc kéo hóa học. Khi họ phá hủy protein, vi khuẩn vẫn biến đổi. Khi phá hủy polysaccharide, quá trình biến nạp vẫn tiếp tục. Khi xử lý RNA, kết quả cũng không đổi. Song khi dùng enzyme phá hủy DNA, sự biến nạp dừng lại.
Sau nhiều năm nghi ngờ, câu trả lời hiện ra rõ ràng: vật chất di truyền là DNA. Đây là phát hiện chấn động, nhưng Avery không công bố bằng giọng điệu chiến thắng. Ông biết mình đang thách thức niềm tin thống trị của thời đại. Những người phản đối có thể nói rằng mẫu DNA vẫn còn lẫn lượng protein cực nhỏ, và chính protein mới gây biến nạp. Vì không thể chứng minh tuyệt đối rằng mẫu không còn chút tạp chất nào, Avery chọn cách tích lũy bằng chứng từ nhiều hướng: thành phần hóa học, tác động của enzyme, ly tâm, điện di, hấp thụ tia cực tím. Tất cả đều chỉ về DNA.
Năm 1944, Avery, MacLeod và McCarty công bố bài báo lịch sử. Điều lạ là từ “gen” không xuất hiện trong nhan đề, phần tóm tắt hay kết luận. Sự thận trọng khiến phát hiện ban đầu không tạo ra tiếng vang tương xứng. Tuy nhiên, từ thời điểm này, gánh nặng chứng minh chuyển sang phía hoài nghi. Nếu không phải DNA, họ phải chỉ ra protein bí ẩn nào đã làm nên phép màu. Không ai làm được.
Người mở đường bị lịch sử bỏ quên
Avery không nhận giải Nobel, dù được đề cử nhiều lần và mất trước khi công trình được công nhận đầy đủ. Sau này, danh tiếng đại chúng nghiêng về James Watson và Francis Crick, những người tìm ra cấu trúc xoắn kép của DNA năm 1953. Tuy nhiên, khám phá chỉ có ý nghĩa bùng nổ vì Avery chứng minh điều căn bản hơn: DNA không chỉ là phân tử trong tế bào, mà là vật chất của gen.
Từ đây, sinh học hiện đại mở ra. Các nhà khoa học có thể hỏi DNA mã hóa thông tin bằng cách nào, tự sao chép ra sao, có cấu trúc gì, và liệu mọi sinh vật có dùng cùng ngôn ngữ di truyền hay không. Những câu hỏi dẫn tới di truyền học phân tử, công nghệ gen, giải trình tự DNA, y học cá thể hóa và nhiều cuộc cách mạng sinh học sau này.
Điều đẹp đẽ là bí mật lớn của sự sống không được mở ra từ con người, cây cối hay những sinh vật phức tạp, mà từ vi khuẩn từng bị xem là quá đơn giản để có gen. Chính chúng đã chứng minh mọi sinh vật, từ tảo biển, chim trời, cá mập, bọ cánh cứng, vi khuẩn gây bệnh đến con người, đều lưu giữ di sản trong những sợi DNA xoắn lại. Trước khi DNA trở thành biểu tượng của khoa học hiện đại, nó từng là phân tử bị coi thường; và trước khi gen có hình hài, nhóm nhà khoa học lặng lẽ đã chứng minh bản chỉ dẫn của sự sống được viết bằng bảng chữ cái chỉ gồm bốn chữ.
shared via nytimes,
