Mở cuốn sách bí mật sự sống

Kỳ 1: Bí ẩn gen di truyền

Phóng to

Rất nhiều ứng dụng trong y sinh học xuất phát từ khám phá ADN - Ảnh: Science Daily

Đại cao thủ từ nước Mỹ

Trước đó, nhà hóa học danh tiếng Linus Pauling, giải Nobel hóa học năm 1954 và Nobel hòa bình năm 1962 (người duy nhất được hai giải Nobel nguyên vẹn cho đến nay), đã vượt lên nhóm các nhà khoa học ở Cambridge khi khám phá ra một số phân tử protein có cấu trúc xoắn.

Khi Pauling gửi đăng một bài báo khoa học để xuất bản vào đầu năm 1953, trong đó ông cho rằng cấu trúc của ADN là xoắn ba (có thể hình dung sơ bộ như kiểu bện thừng hay tóc tết đuôi sam) thì trưởng phòng thí nghiệm Cavendish đã thấy được sự cấp bách nên cho phép Watson và Crick được dành toàn thời gian để nghiên cứu cấu trúc ADN.

Trong giả thiết của Pauling, ADN không chỉ có cấu trúc xoắn ba, mà các bazơ còn hướng ra ngoài. Điều này không chính xác, như sẽ thấy sau này. Nhưng rõ ràng Pauling đã rất gần đích đến. Với trí tuệ siêu việt, chắc chắn Pauling sẽ nhìn ra sai sót của mình để hiệu chỉnh. Watson và Crick biết rất rõ điều này và ước tính Pauling sẽ chỉ cần sáu tuần để hoàn thành việc đó. Vì thế, họ phải chạy nếu muốn vượt lên, phần vì nhìn thấy sự quá gấp gáp của cuộc đua tranh, phần vì viễn cảnh chiến thắng nhà bác học nổi tiếng là vô cùng hấp dẫn.

Điều bất lợi lớn của Pauling là ông không có các dữ liệu về nhiễu xạ tia X để từ đó phán đoán cấu trúc của ADN. Những dữ liệu thực nghiệm này lúc đó nằm ở King’s College London. Tuy nhiên, năm 1952, Wilkins và trưởng phòng thí nghiệm ở King’s College đã từ chối cho Pauling xem các bức ảnh nhiễu xạ đó.

Sau đó, ông lên kế hoạch sang London dự một hội thảo khoa học, dường như để tiếp cận các bức ảnh nhiễu xạ này qua các trao đổi cá nhân, thì rủi thay Ủy ban điều tra về các hoạt động không trung thành với nước Mỹ của nghị viện (House Un-American Activities Committee) đã không cho phép ông đến London dự hội thảo, do trước đó ông đã tham gia các hoạt động phản đối chiến tranh.

Phóng to

Bức ảnh nhiễu xạ tia X số 51 nổi tiếng của Franklin cho biết cấu trúc của ADN

Câu chuyện ở King’s College

Trong khi đó, ở King’s College London, câu chuyện về việc đua tranh tìm ra cấu trúc của ADN đang diễn ra rất gay cấn giữa Wilkins và Franklin. Tuy là đồng nghiệp nhưng do không hòa hợp với nhau, xuất phát từ cá tính khác nhau và sự phân công công việc không rõ ràng của John Randall, giám đốc phòng nghiên cứu vật lý - y sinh, nên Wilkins và Franklin đã làm thực nghiệm về nhiễu xạ tia X của ADN độc lập với nhau.

Trước đó, từ tháng 5-1950, Wilkins và Raymond Gosling đã làm thực nghiệm về đo nhiễu xạ tia X với ADN và thu được một số kết quả đáng khích lệ. Tuy nhiên, sau khi Franklin chuyển đến, Randall lại phân công Franklin phụ trách việc này, đồng thời hướng dẫn Gosling tiếp tục công việc. Như vậy Randall đã chỉ định Franklin thay thế công việc của Wilkins mà không nói cho ông biết. Lý do vì Franklin được coi là chuyên gia duy nhất về nhiễu xạ tia X để nghiên cứu cấu trúc các phân tử sinh học trong nhóm vật lý - sinh học lúc đó.

Nhờ có kỹ năng tốt về thực nghiệm và cải thiện được kỹ thuật chuẩn bị mẫu nên Franklin thu được những kết quả rất tốt. Nhưng khi Wilkins hỏi về cách cải thiện kỹ thuật chuẩn bị mẫu, Franklin đã từ chối và tỏ ra mình mới là người giỏi hơn, tạo ra căng thẳng trong quan hệ cá nhân của hai người.

Với những kết quả thực nghiệm mới, Franklin phát hiện tùy theo mức độ ngậm nước, ADN tồn tại hai dạng A và B. Khi ướt, ADN ở dạng A, mỏng và dài. Còn khi khô, ADN ở dạng B, mập và ngắn. Do mâu thuẫn cá nhân giữa Wilkins và Franklin khá căng thẳng nên Randall đã phải phân chia lại công việc: Franklin chọn dạng A, dạng có vẻ như giàu dữ liệu hơn, còn Wilkins tập trung vào dạng B, vì trước đó ông đã làm các nghiên cứu về ADN ở dạng này.

Wilkins, xuất phát từ các kết quả mình nghiên cứu trước đó, luôn cho rằng ADN có cấu trúc xoắn. Đến cuối năm 1951, nhóm nghiên cứu ở King’s College đã gần như chắc chắn ADN có cấu trúc xoắn. Tuy nhiên, sau khi chụp một ảnh nhiễu xạ bất đối xứng vào tháng 5-1952, Franklin đã nghi ngờ cấu trúc xoắn này và trêu chọc Wilkins bằng cách viết một “cáo phó” về cấu trúc xoắn của ADN. Tuy nhiên, chính Franklin đã thay đổi quan điểm sau khi có các kết quả đo đạc tiếp theo.

Phóng to

Cấu trúc ADN từ các nghiên cứu hiện đại

Câu chuyện ở Cambridge

Trong khi đó ở Cambridge, Watson và Crick đang bận rộn với việc xây dựng mô hình về cấu trúc phân tử ADN, phần lớn dựa vào sự mò mẫm và suy luận từ các giả định, dữ liệu và kết quả của nhóm nghiên cứu khác. Đến Cambridge năm 1951 khi mới 23 tuổi, Watson đã gặp Crick, lúc đó 35 tuổi, đang nghiên cứu về cấu trúc của protein. Đây dường như là cuộc gặp mặt định mệnh của họ.

Gần như ngay lập tức, cả hai đều chia sẻ nhận định rằng chính cấu trúc của ADN là câu hỏi lớn nhất của ngành sinh học lúc bấy giờ. Họ thường xuyên thảo luận và phản biện, bổ sung cho nhau hầu tìm ra cấu trúc của ADN. Và tất nhiên là tích cực theo dõi các kết quả thực nghiệm và công bố của các nhà khoa học khác.

Một trong những mốc quan trọng là năm 1952, trong một lần đến Cambridge, Erwin Chargaff, nhà hóa sinh của Đại học Columbia, đã giải thích cho Watson và Crick về kết quả thực nghiệm của mình rằng dù có tỉ lệ khác nhau trong các ADN khác nhau, nhưng các cặp phân tử nucleotide luôn cặp đôi và có tỉ lệ bằng nhau, đó là: adenine với thymine (A-T) và guanine với cytosine (G-C) (còn gọi là cặp đôi G-X trong phiên âm của nhiều tài liệu tiếng Việt).

Ngày 30-1-1953, Watson đến King’s College, mang theo bản thảo của bài báo Pauling gửi đăng, trong đó có mô tả về cấu trúc xoắn ba của ADN. Vì Wilkins, một người bạn của Watson, đi vắng, nên Watson đã đến gặp Franklin và thuyết phục hợp tác trước khi Pauling tìm ra sai sót của mình. Nhưng Franklin không bị thuyết phục, thậm chí nổi giận khi Watson cho rằng bà không biết cách khai thác dữ liệu. Không còn cách nào khác, Watson đành trở lại gặp Wilkins. Thông cảm với bạn, Wilkins đã cho Watson xem tấm ảnh nhiễu xạ tia X (số 51) của Franklin mà không hỏi ý kiến của bà.

Khi nhìn thấy tấm ảnh thực nghiệm này, ngay lập tức Watson tìm thấy thứ mình cần như ông kể lại: “Ngay khi nhìn thấy phổ nhiễu xạ, tôi há hốc mồm và tim đập thình thình” (1).

Trong khi đó, đến khoảng cuối tháng 2-1953, Franklin, bằng việc phân tích các bức ảnh nhiễu xạ của mình, đã đến rất gần đích về một cấu trúc đúng của ADN. Tuy nhiên, ở King’s College lúc đó Franklin bị phân biệt đối xử rất mạnh, có thể do cá tính của bà hoặc do bà là phụ nữ trong một môi trường học thuật đỉnh cao nhưng không khích lệ nữ giới tham gia.

Lúc đó, phụ nữ ở đây không được tham gia một số thảo luận khoa học và không được vào phòng ăn chung. Do đó bà quyết định chuyển đến Đại học Birkbeck. Trước khi đi, bà đã bàn giao lại các tấm ảnh nhiễu xạ của mình cho Wilkins, vì Randall muốn các nghiên cứu về ADN phải ở lại King’s College.

Cũng trong tháng 2-1953, Watson và Crick bắt tay vào xây dựng mô hình cấu trúc của ADN. Trên cơ sở các dữ liệu nhiễu xạ tia X của Wilkins và Franklin mà ông đã thấy và tham chiếu ý tưởng của các nhà khoa học khác, cấu trúc của ADN ngày càng rõ dần. Với Watson, những chấm nhiễu xạ tạo thành hình chéo này có nghĩa rằng ADN phải có cấu trúc xoắn kép.

Và bằng kiến thức về cấu trúc tinh thể, khi phân tích dữ liệu về tính đối xứng của tinh thể ADN, Crick biết rằng hai chuỗi xoắn đơn của ADN phải chạy theo hai chiều ngược nhau. Kết hợp với kiến thức về sự cặp đôi của các phân tử A-T và G-C trước đó, họ đã xây dựng được mô hình hoàn chỉnh về cấu trúc của ADN và mô tả chính xác cách thức liên kết, góc xoắn của chuỗi xoắn kép này.

Phóng to

Tìm ra cấu trúc xoắn kép của ADN giúp mở cuốn sách bí mật sự sống cho nhân loại - Ảnh: Nature.com

Eureka: Bí mật hé lộ!

Ngày 28-2-1953, Crick thông báo trong một quán rượu nhỏ rằng họ đã tìm ra “bí mật của sự sống”, nhưng mô hình về cấu trúc của ADN chỉ thật sự được họ hoàn thiện vào ngày 7-3-1953. Tuy nhiên, trước đó một ngày, bản thảo bài báo của Franklin về cấu trúc của ADN dạng A đã kịp đến tòa soạn Acta Crystallographica, tức là Franklin đã viết trước khi mô hình về cấu trúc ADN của Watson và Crick được dựng lên.

Ngày 18-3-1953, khi nhận được bản thảo về bài báo của Watson và Crick, chính là bài báo nổi tiếng đăng trên Nature, Wilkins đã trả lời: “Tôi nghĩ hai cậu đúng là một cặp cáo già, nhưng rất có thể các cậu sẽ có thu hoạch tốt từ vụ này (2)”. Và phán đoán của Wilkins đã đúng, khi Watson và Crick đã được trao giải Nobel năm 1962 cho khám phá này.

Câu chuyện về cấu trúc ADN như vậy đã rõ ràng. Vấn đề còn lại là công bố chính thức ra sao. Dưới sự thỏa thuận của các lãnh đạo phòng thí nghiệm và các tác giả, ba bài báo của nhóm Watson và Crick, Wilkins, Franklin được công bố đồng thời trong số tạp chí ra ngày 25-4-1953 của Nature. Theo đó, dường như bài báo của Watson và Crick được bố trí như là bài về lý thuyết, còn bài của Wilkins và Franklin như là các bài có tích cách thực nghiệm minh họa cho bài lý thuyết của Watson và Crick.

Trong bài báo của mình, Watson và Crick đã viết rằng: “Chúng tôi đã thấy rằng cách thức cặp đôi mà chúng tôi đề xướng ngay lập tức gợi mở một cơ chế nhân bản trong các vật liệu di truyền (3)”.

Như vậy, cấu trúc chuỗi xoắn kép do Watson và Crick tìm ra đã giải thích được cơ chế truyền thông tin di truyền trong các cơ thể sống. Sự cặp đôi của các phân tử bazơ cho biết cách thức thông tin được copy, còn trình tự các bazơ lại là đặc trưng nhận biết của chuỗi các amino axit trong protein. Kỳ diệu hơn, các phân tử ADN này có thể tách ra thành hai chuỗi xoắn đơn riêng biệt và sau đó nhân bản thành hai ADN giống hệt nhau. Cơ chế truyền tin trong tế bào, tức cơ chế di truyền, đã trở nên rõ ràng.

Sự tìm ra cấu trúc xoắn kép của ADN được ví như việc tìm ra định luật II trong cơ học của Newton. Đó thật sự là một cuộc cách mạng trong khoa học. Cuốn sách về bí mật sự sống lần đầu tiên được mở ra cho nhân loại.

Để ghi nhận đóng góp của các nhà khoa học, giải Nobel y học năm 1962 đã được trao cho Watson, Crick và Wilkins. Franklin đã mất trước đó bốn năm do bị ung thư nên không được xét trao giải, nhưng đóng góp của bà cho việc khám khá cấu trúc của ADN có lẽ không hề nhỏ hơn ba nhà khoa học đã được nhận giải Nobel năm 1962.

ADN ngoại truyện

Ngoại truyện thứ nhất là công trình khám phá cấu trúc của ADN - một lĩnh vực thuộc ngành sinh học - lại được tiến hành phần nhiều bởi các nhà vật lý. Điều này không phải ngẫu nhiên vì trước đó cuốn sách Sự sống là gì? của Erwin Schödinger đã tạo cảm hứng, và phần nào dẫn dắt các nhà vật lý tham gia khám phá những bí mật của sự sống, tạo tiền đề cho sự ra đời của một ngành khoa học rất phát triển sau này, đó là ngành vật lý - sinh học (Biophysics).

Truyền thống này được tiếp nối mãi về sau, chẳng hạn Walter Gilbert, người đã chuyển từ nghiên cứu vật lý lý thuyết sang sinh học phân tử và đã được trao giải Nobel hóa học năm 1980 cho công trình nghiên cứu về cấu trúc và xác định trình tự ADN của mình.

Ngoại truyện thứ hai là vai trò của John Randall, giám đốc trung tâm nghiên cứu vật lý - y sinh nơi Walkins và Franklin làm việc. Ông là người chỉ đạo các nghiên cứu về cấu trúc của ADN. Như vậy, rõ ràng ông là người có tầm nhìn dẫn dắt và có đóng góp to lớn cho các nghiên cứu tìm ra cấu trúc ADN. Nhưng dường như công trạng của ông đã không được ghi nhận đúng mức trong việc này.

Ngoại truyện thứ ba có thể được coi như một góc khuất trong cuộc chạy đua khám phá cấu trúc ADN, liên quan đến vai trò của Franklin, vì đóng góp của bà dường như đã không được ghi nhận đúng mức. Trong bài báo của mình, Watson và Crick đã phủ nhận việc tham khảo kết quả thực nghiệm của Wilkins và Franklin trong việc xây dựng mô hình cấu trúc ADN (4).

Điều này bị nhiều nhà khoa học cho là không trung thực và khó chấp nhận, và thường xuyên bị nêu ra như một trường hợp cần thảo luận trong các khóa học về đạo đức khoa học. Ngoài ra, việc Wilkins cho Watson xem tấm ảnh nhiễu xạ số 51 của Franklin mà không được phép của bà liệu có phải là vi phạm đạo đức khoa học? Tại sao Wilkins lại làm vậy? Và nếu không có tấm ảnh này, liệu Watson và Crick có tìm ra cấu trúc của ADN?

Những câu hỏi này đã làm đau đầu các nhà nghiên cứu trong hàng thập kỷ và sẽ tiếp tục bị mổ xẻ. Nhưng lịch sử không lặp lại và không có chữ nếu, nên mọi câu trả lời được đưa ra chỉ là giả định. Tuy nhiên, có một điều chắc chắn, cho đến đầu năm 1953, trong cuộc đua rất gay cấn, cả bốn nhóm nghiên cứu đã rất gần đích đến, và vì thế việc khám phá cấu trúc của ADN sớm hay muộn thì cũng là một điều chắc chắn.

___________

(1) Nguyên văn: The instant I saw the picture my mouth fell open and my pulse began to race - James D. Watson (1968), The Double Helix, trang 167.
(2) Nguyên văn: I think you’re a couple of old rogues, but you may well have something.
(3) Nguyên văn: It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. Cụm từ “It has not escaped our notice” được coi là một trong những câu nói giảm lớn nhất trong khoa học.
(4) Nguyên văn: We were not aware of the details of the results presented there when we devised our structure, which rests mainly though not entirely on published experimental data and stereochemical arguments.