Kỷ niệm 70 năm khám phá cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA

Công bố của Francis Crick đến với những vị khách quen thuộc ở quán bia The Eagle đã trở thành một phần văn hóa của Đại học Cambridge. Ở nơi đó, Crick đã thông báo rằng anh và đồng nghiệp James Watson đã “phát hiện ra bí mật của cuộc sống”, ngay buổi tối sau khi họ xác định cấu trúc phân tử DNA.

Bước đột phá của họ – xác định chính xác cách mã di truyền của chúng ta được truyền từ cha mẹ sang con cái – đã dẫn đến những tiến bộ thay đổi thế giới trong nhiều lĩnh vực, không chỉ trong nghiên cứu sinh học và sự hiểu biết và điều trị của chúng ta về các bệnh di truyền. Nhưng phát hiện này, được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cambridge Cavendish 70 năm trước, chỉ có thể thành hiện thực nhờ công trình của một loạt các nhà khoa học tài năng, ít nhất trong số đó có nhà tinh thể học tia X Rosalind Franklin.

Việc bổ nhiệm Lawrence Bragg vào vị trí làm Giáo sư Vật lý Cavendish vào năm 1938 – kế nhiệm Ernest Rutherford – cũng là chìa khóa. Cùng với người cha William của mình, Bragg đã giành được giải thưởng Nobel vào năm 1915, sau khi phát hiện ra rằng tia X có thể được sử dụng để xác định vị trí của các nguyên tử trong một tinh thể pha lê.

“Bragg là một nhân vật cực kỳ quan trọng trong việc này”, Giáo sư Malcolm Longair, giám đốc phát triển tại phòng thí nghiệm Cavendish cho biết.

“Khi ông ấy trở thành giáo sư Cavendish, đó là một cú sốc đối với cộng đồng ở đây, bởi vì ông ấy là một nhà tinh thể học chứ không phải là một nhà vật lý hạt nhân, điều giúp phòng thí nghiệm này nổi tiếng trước đó. Ông ấy đã khuyến khích nghiên cứu tinh thể học tia X của các hợp chất sinh học ngay khi ông ấy đến Cambridge.”

Mối quan tâm của Bragg được củng cố bởi dữ liệu tinh thể học tia X đáng chú ý về huyết sắc tố, do Max Perutz thu được.

Sau Chiến tranh thế giới thứ hai, Bragg tiếp tục hỗ trợ tinh thể học tại Cambridge, khuyến khích Perutz và John Kendrew trong nỗ lực xác định cấu trúc của huyết sắc tố và myoglobin. Cũng làm việc trong lĩnh vực tinh thể học tia X vào thời điểm đó, và là một trong số rất ít phụ nữ tại Phòng thí nghiệm Cavendish, là June Broomhead. Công trình của cô ấy đo kích thước của các phân tử adenine và thymine mà sau đó sẽ đóng vai trò rất quan trọng để khám phá bí ẩn về cấu trúc DNA, cũng như nghiên cứu lý thuyết của đồng nghiệp Bill Cochran của cô ấy đã giải thích những hình ảnh chi tiết được tạo ra bởi một chuỗi xoắn đơn lẻ.

Giáo sư Longair nói: “Đây là những người, và có những người khác nữa, đã hình thành cốt lõi của công việc thử nghiệm này. “Tất cả họ đều đóng góp rất đáng kể vào cách bạn phân tích dữ liệu.

“Một điểm quan trọng là cả Watson và Crick đều là những nhà lý thuyết, họ không thực hiện bất kỳ thí nghiệm nào dẫn đến hình ảnh tinh thể học tia X mà họ bắt đầu giải thích. Có rất nhiều người đã đóng góp kiến thức về kích thước của các phân tử phải được gắn với nhau, vì cuối cùng chúng đã như vậy. Họ đang làm việc ở một trong những nơi tốt nhất có thể để nghiên cứu công việc tinh thể học.”

Có một sự gia tăng về mối quan tâm đến những gì tia X của các mẫu sinh học có thể phát hiện ra, đồng thời là sự cạnh tranh cá nhân mạnh mẽ giữa Bragg và Linus Pauling, giáo sư hóa học tại Caltech. Vì vậy, khi Bragg biết rằng Pauling đang tiến rất gần đến cấu trúc của phân tử DNA, ông đã cho phép Crick và Watson tự do theo đuổi công việc của riêng họ trên DNA.

Họ được hưởng lợi từ công việc của các nhà tinh thể học tia X Maurice Wilkins và Rosalind Franklin tại Đại học King’s College London, sử dụng các hình ảnh của Franklin mà về cơ bản bà không hề hay biết.

Giáo sư Longair nói: “Tất cả dữ liệu đều đến từ những người khác. “Franklin là một nhà thí nghiệm xuất sắc – cô ấy đã tạo ra những hình ảnh tia X tốt hơn về các kiểu nhiễu xạ của các phân tử DNA ở trạng thái kết tinh và không kết tinh hơn bất kỳ ai khác.”

Crick và Watson đã lấy những dữ liệu này và tiến hành nghiên cứu.

Giáo sư Longair cho biết tài năng của họ là không thể phủ nhận. “Họ là những người rất thông minh. Họ sẽ giải thích những phát hiện của các nhà tinh thể học, bản thân nó đã là một kỹ năng tuyệt vời, để tìm ra những mẫu này và chuyển đổi chúng thành hình ảnh của cấu trúc phân tử.

“Họ đã sử dụng tất cả thông tin về cấu trúc và với một sự may mắn lớn, họ phát hiện ra rằng nếu bạn đặt hai bazơ của bốn phân tử lại với nhau, thì bạn sẽ thấy chúng khớp với nhau. Và rồi bạn thấy rằng đây là thứ liên kết hai chuỗi xoắn lại với nhau – một cặp xoắn tương tác với nhau và được giữ với nhau bởi các cặp bazơ này. Và thứ tự xuất hiện của các cặp bazơ sẽ cho bạn mã di truyền.”

Giáo sư vật lý Dame Athene Donald, Thạc sĩ của Đại học Churchill, nơi lưu trữ các bài báo của Rosalind Franklin, cho biết câu chuyện về khám phá này vẫn thu hút trí tưởng tượng, nhưng câu chuyện đã thay đổi đối với một thế hệ các nhà vật lý mới.

“Vai trò quan trọng của Rosalind Franklin và những người khác hiện đã được hiểu rõ, và tôi nghĩ khía cạnh đó của câu chuyện có giá trị hơn nhiều so với 25 năm trước, với các tòa nhà và giải thưởng hiện được đặt tên để vinh danh bà. Và tôi nghĩ đó có thể là điều mà mọi người bây giờ được hiểu rõ hơn cũng như khoa học, đó là cách mà phụ nữ được đối xử thời đó.

“Tầm quan trọng của khám phá đã được công nhận và mọi thứ khác nở rộ sau đó, chẳng hạn như y học cá nhân hóa, v.v. Nhưng tôi nghĩ bởi vì bây giờ chúng ta đã biết toàn bộ câu chuyện, câu chuyện có lẽ đã giá trị hơn so với trước đây. “

Sau khám phá này, nghiên cứu về sinh học phân tử đã phát triển theo cấp số nhân tại Cambridge, cuối cùng dẫn đến việc thành lập Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC tại Cơ sở Y sinh Cambridge.

Giáo sư Longair nói: “Phòng thí nghiệm Cavendish đã chật kín người. “Bất kỳ tòa nhà Đại học nào có sẵn ở Cambridge, khoa Vật lý đều nắm lấy! Toàn bộ mọi thứ cứ phát triển và lớn lên, và đó là câu chuyện thành công nối tiếp câu chuyện thành công.

“Thật không thể tin được khi bạn nghĩ rằng cho đến lúc đó, tất cả các nghiên cứu về tinh thể học tia X tại Cambridge đều được thực hiện trong một túp lều nhỏ tạm thời, mới chỉ bị phá hủy vài năm trước.”

Giáo sư Longair nói rằng đối với sinh viên ngày nay, 70 năm sau bước đột phá DNA, công việc của các nhà khoa học này vẫn còn truyền cảm hứng.

“Tôi không dạy câu chuyện về DNA bởi vì nó thực sự là một ứng dụng của những nguyên tắc cơ bản mà tôi đang cố gắng dạy cho họ. Trong việc dạy vật lý, chúng tôi có một lượng lớn nội dung kỹ thuật cần truyền đạt cho họ, nhưng ngay khi bạn nói về những khám phá vĩ đại, trong đầu các bạn sinh viên sẽ lóe sáng lên và nói ‘Tôi muốn trở thành một phần của điều đó’. Thách thức là kết hợp toán học và thiên tài thực nghiệm – công cụ thực hành, ‘vật lý thực’ – thông qua chính họ kinh nghiệm và chuyển giao khả năng kỹ thuật thông qua công việc dự án của họ. Và đó là điều họ thực sự yêu thích.”

Nguồn: Đại học Cambridge (University of Cambridge).