Giải Nobel Hóa học 2015: Sửa lỗi trong mật mã ADN

Aziz Sancar

Khám phá ra bộ máy chuyên sửa lỗi cho ADN và bảo vệ mật mã này khỏi sự suy thoái góp một phần trí tuệ rất lớn cho các nghiên cứu về thuốc chữa bệnh ung thư sau này. Đó là lý do giải Nobel hóa học năm nay được Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao cho ba nhà khoa học Tomas Lindahl, Paul Modrich và Aziz Sancar cùng phần thưởng trị giá 960.000 USD.

Từ năm 1950, khi James Watson và Francis Crick phát hiện ra rằng ADN là thành phần cơ bản tạo nên sự sống của muôn loài, mọi người đều nghĩ rằng thành phần này hoàn toàn bền vững với thời gian, bởi chỉ có những gì bền vững và không dễ dàng bị thay đổi mới có thể được bảo tồn và truyền lại qua các thế hệ.

Cho đến những năm đầu thập niên 1970, Tomas Lindahl đã chứng minh được rằng ADN có thể bị suy thoái nhanh hơn chúng ta nghĩ. Chứng minh này của ông là nguồn sáng cho chính ông và Paul Modrich cùng Aziz Sancar tin chắc rằng trong tế bào của chúng ta có bộ máy chuyên sửa chữa lỗi trong ADN.

Nếu không có sự tồn tại của bộ máy đó, cuộc sống khó có thể được duy trì đến ngày hôm nay, bởi sự suy thoái của ADN là nguồn gốc cơ bản của các bệnh nan y và ung thư.

 Từ các bộ máy thông minh biết bảo vệ và sửa chữa ADN...

Với niềm tin rằng ADN trong các tế bào được bảo vệ bởi những bộ máy thông minh, cả ba nhà khoa học trên cùng các đồng nghiệp của họ đã chứng minh rằng thật sự các bộ máy này tồn tại. Không chỉ dừng lại ở đó, họ còn tỉ mỉ tìm hiểu các cơ cấu được dùng trong quy trình sửa chữa ADN. Các công trình nghiên cứu của họ đã dẫn đến phát hiện về ba bộ máy bảo vệ và sửa chữa ADN theo ba cách khác nhau:

Bộ máy thứ nhất: cắt dán từng mật mã của ADN khi chúng bị sai sót

Tomas Lindahl (77 tuổi), người gốc Thụy Điển, là giáo sư tại Viện Nghiên cứu khoa học Francis Crick ở London. Năm 2009, do tuổi cao, ông đã đóng cửa phòng thí nghiệm. Nhờ những cống hiến to lớn, ông hiện vẫn là giáo sư danh dự của viện này.

Vào những năm đầu thập niên 1970, chính ông đã chỉ ra rằng ADN không phải là thứ bất di bất dịch. Không những vậy, sự suy thoái của nó là một quá trình rất dễ xảy ra, nó có thể bị tấn công và bị biến đổi cả ngàn lần mỗi ngày.

Điều đáng tôn trọng ở khám phá này là giáo sư Lindahl đã đi ngược lại những điều được dạy lúc bấy giờ và chứng minh được rằng có một bộ máy đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sự sống của muôn loài.

Cống hiến của Lindahl không chỉ dừng lại ở việc chứng minh sự tồn tại của bộ máy sửa chữa ADN. Thêm vào đó, những năm làm giáo sư ở Viện Nghiên cứu Karolinska tại Stockholm (Thụy Điển), ông đã khám phá ra một trong những bộ máy thông minh này có thể cắt bỏ mật mã bị sai và thay vào đó một mật mã đúng.

Tuy nhiên, bộ máy mà ông phát hiện chỉ có thể cắt được một loại mật mã trong bốn loại mật mã mà ADN có. Đó chính là nguồn sáng cho hai nhà khoa học còn lại tin rằng có nhiều hơn một bộ máy và có nhiều hơn một cách để sửa chữa những sai sót trong ADN.

Bộ máy thứ hai: cắt dán cả dòng mật mã của ADN khi chúng bị suy thoái

Aziz Sancar (69 tuổi, người gốc Thổ Nhĩ Kỳ) hiện là giáo sư Trường đại học Bắc Carolina, thành phố Chapel Hill (Mỹ). Ông sinh ra trong một gia đình trung lưu có tám người con. Bố mẹ ông không được đi học, dù vậy họ tôn trọng học vấn và nhờ đó các anh chị em của ông đều được học hết đại học.

Có một điều ít ai biết đến là trước khi trở thành giáo sư nghiên cứu khoa học cơ bản, ông từng tốt nghiệp trường đại học y và đứng đầu khóa tốt nghiệp năm 1969 của Trường đại học Istanbul (Thổ Nhĩ Kỳ). Sau khi tốt nghiệp ngành y loại giỏi, ông chuyển đến bang Texas (Mỹ) để lấy bằng tiến sĩ khoa học và trở thành giáo sư Trường đại học Bắc Carolina.

Tại đây, ông và các sinh viên của mình đã cho ra những công trình nghiên cứu về bộ máy có khả năng tìm dữ liệu sai sót trong mật mã ADN, rồi cắt cả dòng mật mã chứa sai sót này. Kết quả của việc cắt bỏ cả dòng dữ liệu có cả mật mã đúng và mật mã sai là để lại một khoảng trống trong ADN.

Tế bào của chúng ta sau đó dùng một bộ máy để lấp vào khoảng trống đã được cắt bỏ bằng những mật mã mới không chứa sai sót. Bộ máy cắt cả dòng dữ liệu này được dùng khi ADN của chúng ta bị phá hủy bởi tia UV từ ánh nắng mặt trời. Không có bộ máy này, bệnh ung thư da do tia UV gây ra là khó tránh khỏi.

Paul Modrich -Reuters

Bộ máy thứ ba: cắt dán từng mật mã của ADN khi chúng bị sao chép sai

Paul Modrich (69 tuổi) sinh ra và lớn lên ở bang New Mexico, hiện là giáo sư Trường đại học Y dược Duke kiêm giáo sư Viện Nghiên cứu y dược Howard Hughes (Mỹ). Cha ông là một thầy giáo dạy sinh học cho học sinh phổ thông lúc bấy giờ và chính là người đã thúc đẩy ông tìm tòi về ADN.

Cũng bởi sự thúc đẩy này, Modrich đã trở nên yêu khoa học cơ bản và luôn tin rằng “nếu không có nguồn kiến thức mà khoa học cơ bản mang lại, chúng ta sẽ không biết dựa vào đâu để tìm ra phương pháp chữa bệnh nan y”.

Giải Nobel hóa học năm nay chỉ ra rằng không chỉ riêng ông mang niềm tin cho khoa học cơ bản, mà đó là niềm tin của rất nhiều nhà khoa học khác được đại diện bởi Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển.

Nếu Tomas Lindahl và Aziz Sancar quan tâm đến quá trình suy thoái và sai sót của ADN do tác động môi trường gây ra, thì Paul Modrich lại quan tâm đến sai sót trong quá trình sao chép ADN, một quá trình quan trọng trong việc duy trì sự sống của muôn loài.

Các vật thể sống trên Trái đất đều được bắt đầu từ một tế bào nhỏ: cái cây nảy mầm từ hạt, và con người chúng ta bắt đầu từ phôi thai. Sự phát triển để tạo ra sự sống của muôn loài đòi hỏi ADN phải được duy trì và sao chép lại một cách cẩn thận. Quá trình sao chép ADN để nhân cấp tế bào là một quá trình tỉ mỉ, đòi hỏi bộ máy sao chép phải đọc và chép lại từng mật mã một.

Vì phải sao chép quá nhiều mật mã ADN (3.000 tỉ ký tự trong ADN của con người), sự sai sót của bộ máy sao chép dẫn đến lỗi trong bản ADN mới là không thể tránh khỏi. Ông Modrich đã phát hiện ra rằng có một bộ máy chuyên đi đọc các ký tự này sau khi chúng được sao chép và tìm ra ký tự bị sai.

Khi tìm thấy sự sai sót trong sao chép, ký tự hoặc dòng ký tự đó sẽ được cắt ra và được chép lại cho đúng với văn bản cũ. Đây cũng chính là cách sự sống của muôn loài được duy trì từ đời này sang đời khác mà không để cho sai sót trong các quá trình sao chép hủy hoại.

Tomas Lindahl

...Đến thuốc chữa bệnh ung thư

Nhờ có các bộ máy sửa chữa và bảo vệ, ADN mới tránh khỏi sự suy thoái do tác động môi trường và quá trình nhân cấp tế bào gây ra. Vậy đã có các bộ máy này rồi mà sao ung thư vẫn ngày một hiện hữu trong cuộc sống của chúng ta?

Tất cả các loại ung thư đều bắt nguồn từ sự suy thoái và lỗi lầm không được sửa chữa trong ADN. Bộ máy sửa chữa tuy quan trọng và là tấm màn che chắn chúng ta khỏi các tác động xấu của môi trường, nhưng chúng cũng chỉ có thể làm việc đúng năng lực cho phép.

Nếu ADN bị đặt vào môi trường khắc nghiệt mà sự suy thoái là không thể tránh khỏi, bộ máy sửa chữa chỉ có thể giúp được phần nào. Một khi sai lầm trong mật mã ADN được hình thành, chúng sẽ được duy trì và nhân cấp như thể đây là bản gốc. Từ đó, các tế bào ung thư được hình thành và phát triển từ một tế bào nhỏ mang sai sót trong ADN.

Hiện nay, các nhà khoa học đang dựa vào các nghiên cứu của Tomas Lindahl, Paul Modrich và Aziz Sancar để tìm ra các loại thuốc chữa bệnh ung thư bằng cách tấn công vào những bộ máy sửa chữa ADN của các tế bào ung thư. Bằng cách này, các tế bào ung thư đã một lần bị sai sót trong ADN do không được sửa chữa kịp thời sẽ không còn được duy trì bằng các bộ máy thông minh này được nữa, mà ngược lại ADN của chúng sẽ để cho bị suy thoái, nhằm loại bỏ chúng khỏi cơ thể người bệnh. Hiện tại đã có thuốc Olaparib dựa trên cơ sở khoa học trên để chữa ung thư tử cung. Các loại thuốc khác cũng đang được nghiên cứu hoặc đang trong quá trình kiểm nghiệm.■