Con voi còi
Writer
Cấu trúc của ADN (chính xác là DNA) được làm sáng tỏ vào năm 1953, nhưng thực tế nó chỉ được phát hiện vào năm 1868 trong một phòng thí nghiệm nhỏ ở Đức bởi một nhà khoa học người Thụy Sĩ tên là Friedrich Miescher.
Trong hầu hết các sách giáo khoa khoa học cấp trường, những cái tên xuất hiện trong phần giới thiệu về DNA là James Watson, Francis Crick và Maurice Wilkins. Giải Nobel của họ—được trao vào năm 1965—được in nghiêng bên cạnh một bức ảnh kinh điển về Watson và Crick đang chiêm ngưỡng mô hình xoắn kép. Giải thưởng được trao “cho những khám phá liên quan đến cấu trúc phân tử của axit nucleic và ý nghĩa của nó đối với việc truyền thông tin trong vật liệu sống”. Những từ đáng chú ý là cấu trúc phân tử, không phải khám phá.
Vậy thì ai đã khám phá ra DNA?
Friedrich Miescher sinh ra trong một gia đình đắm chìm trong khoa học vào ngày 13 tháng 8 năm 1844 tại Thụy Sĩ. Cả cha và chú của ông, Johann F. Miescher và Wilhelm His, đều là những bác sĩ, nhà giải phẫu học và giáo sư nổi tiếng tại Đại học Basel. Miescher thể hiện sự quan tâm sâu sắc đến khoa học và bắt đầu học y khoa tại Basel, nhưng sau đó quyết định rằng nghiên cứu sẽ thỏa mãn sự tò mò của ông về thế giới tự nhiên.
Phòng thí nghiệm của Hoppe-Seyler là nơi sinh học và hóa học bắt tay nhau. Môi trường này cung cấp cho Miescher những công cụ phù hợp để tiến hành điều tra. Sử dụng mủ từ băng phẫu thuật tươi lấy từ một phòng khám gần đó, Miescher đã thu được bạch cầu, tế bào mà ông lựa chọn để làm việc.
Miescher là một nhà khoa học tỉ mỉ, ghi chép mọi chi tiết và làm việc rất thận trọng. Cách tiếp cận kiên nhẫn này cho phép Meischer phát hiện ra điều gì đó kỳ lạ giữa các protein và lipid. Trong khi thực hiện các thử nghiệm, ông nhận thấy rằng một chất kết tủa trong điều kiện axit. Phấn khích và tò mò, ông bắt đầu khám phá chất kết tủa bất thường này.
Ông đã thực hiện một số thí nghiệm để kết tủa chất này ra khỏi dung dịch. Chất kết tủa chưa biết này hòa tan trong điều kiện kiềm, nhưng kết tủa khi dung dịch được trung hòa. Ngay cả khi dung dịch được làm cho có tính axit, chất này vẫn không hòa tan trở lại vào dung dịch.
Không gian phòng thí nghiệm của Friedrich Miescher ở Tübingen, Đức
Các ion trong nước sẽ tương tác với các chất tích điện trên protein, giữ protein trong dung dịch. Tuy nhiên, ở một độ pH cụ thể (độc nhất đối với mỗi protein), điện tích ròng trên protein là 0, nghĩa là protein không tích điện. Ở độ pH này, các phân tử protein bắt đầu tương tác với nhau thay vì với các ion xung quanh. Sự tương tác này khiến protein kết tụ và chúng kết tủa ra ngoài. Độ pH này được gọi là điểm đẳng điện hoặc pI. Thay đổi độ pH, tránh xa pI của nó, protein sẽ hòa tan trở lại vào dung dịch.
Chất kết tủa của Miescher không hòa tan trong nhiều độ pH có tính axit. Ông đi đến kết luận rằng đây không phải là protein.
Để chắc chắn, Miescher đã thực hiện thêm một số thử nghiệm nữa. Ông đốt chất kết tủa và tìm thấy tất cả các nguyên tố hữu cơ thông thường – oxy, carbon, hydro và nitơ. Thứ mà ông không tìm thấy là lưu huỳnh, một nguyên tố phổ biến trong hầu hết các protein. Ông lưu ý rằng chất kết tủa có một lượng phốt pho đáng kể trong đó. Phốt pho không có trong bất kỳ phân tử sinh học nào khác.
Ông cũng cho chất kết tủa tiếp xúc với protease, enzyme phân hủy protein thành các khối xây dựng của chúng—amino axit. Protease không ảnh hưởng đến chất kết tủa, củng cố thêm quan điểm của ông rằng đây không phải là protein. Ông cũng biết, dựa trên công trình trước đó, rằng chất này được tìm thấy trong nhân, vì vậy ông đặt tên cho nó là nuclein.
Bài báo nêu bật khám phá của Miescher ra đời vào năm 1871. Miescher tiếp tục nghiên cứu về nuclein, thích sử dụng tinh trùng cá hồi làm vật liệu. Công trình của ông cho thấy phốt pho bất thường trong nuclein có mặt dưới dạng axit photphoric. Nhận thấy rằng phân tử này khuếch tán kém, ông suy luận rằng nó phải nặng (hay còn gọi là trọng lượng phân tử cao). Ông đã đoán đúng rằng một phân tử cơ bản, mà ông gọi là protamine, có liên quan đến nuclein.
Cùng nhau, những chất này tạo nên khối lượng của đầu tinh trùng mà ông đang nghiên cứu. Nghiên cứu sau đó cho thấy Miescher đã đúng về tất cả những điều này!
Chuỗi xoắn kép DNA với bốn bazơ nitơ đóng vai trò là các bậc thang, với xương sống bao gồm đường (deoxyribose đối với DNA và ribose đối với RNA) và phosphate.
Nhiều nhà hóa học, đặc biệt là những người biết Miescher và Hoppe-Seyler, bắt đầu nghiên cứu về nuclein. Albrecht Kossel, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Hoppe-Seyler (và sau này là người đoạt giải Nobel) phát hiện ra rằng nuclein bao gồm bốn bazơ và đường. Eduard Zacharias, một nhà thực vật học, đã kết hợp khái niệm nhiễm sắc thể với nuclein, chứng minh rằng nuclein là một thành phần quan trọng của nhiễm sắc thể.
Mặc dù vậy, DNA vẫn nhận được ít sự chú ý từ cộng đồng khoa học vào thời điểm đó. Hầu hết các chuyên gia, bao gồm cả Miescher, tin rằng protein là thành phần di truyền, chứ không phải axit nucleic (sau này được Richard Altmann đổi tên). Nhiều người lý luận rằng axit nucleic về mặt hóa học quá đơn giản để tạo ra sự đa dạng năng động như vậy trong sự sống. Mặt khác, protein được tạo thành từ 20 loại axit amin khác nhau và đủ phức tạp để cung cấp sự đa dạng của sự sống mà chúng ta thấy xung quanh mình.
Điều này khiến axit nucleic bị bỏ qua ở mức độ lớn. Công việc nghiên cứu phân tử này bị đình trệ và trọng tâm chủ yếu chuyển sang protein. Tất cả những điều này đã thay đổi khi một chuỗi các thí nghiệm—đầu tiên là của Griffith vào năm 1928, sau đó là của Avery, MacLeod và McCarthy vào năm 1944, và cuối cùng là của Hershey và Chase vào năm 1952—chứng minh rằng DNA là vật liệu di truyền trong tế bào.
Tuy nhiên, thỏa thuận vẫn chưa được chốt! Nếu không hiểu cấu trúc của DNA, thật khó để nói một cách chắc chắn (hoặc chắc chắn nhất có thể theo khoa học) rằng DNA chắc chắn là phân tử mang lại sự sống. Watson và Crick tại Cambridge, Wilkins và Rosalind Franklin cùng học trò Raymond Gosling, cũng như Linus Pauling (nổi tiếng với protein alpha helix) đều đang nỗ lực khám phá cấu trúc của DNA. Nhờ sự kết hợp của may mắn, sự khéo léo và cảm hứng, Watson và Crick đã về đích đầu tiên.
Mô hình chuỗi xoắn kép DNA được James Watson và Francis Crick xây dựng vào năm 1953
Kể từ khi phát hiện ra chúng và xác nhận cấu trúc DNA, thế giới axit nucleic không bao giờ còn như trước nữa. Công việc nghiên cứu phân tử này tăng vọt và trong 3 thập kỷ tiếp theo, một lượng lớn công việc mang tính đột phá đã được thực hiện.
Sau khi Friedrich Miescher qua đời ở tuổi 51 vì bệnh lao, chú của ông là Wilhelm His đã viết trong phần giới thiệu tuyển tập tác phẩm của Miescher rằng: “Sự trân trọng dành cho Miescher và tác phẩm của ông sẽ không hề giảm đi; ngược lại, nó sẽ ngày càng lớn mạnh và những khám phá và suy nghĩ của ông sẽ là hạt giống cho một tương lai tươi sáng”. Ngày nay, chúng ta vẫn đang nghiên cứu DNA và các axit nucleic khác để tìm ra bí mật của quá trình tiến hóa, sức khỏe và sự khởi đầu của sự sống trên Trái đất, vì vậy những lời đó hoàn toàn đúng và Miescher sẽ luôn giữ một vị trí nổi tiếng trong lịch sử DNA!
Trong hầu hết các sách giáo khoa khoa học cấp trường, những cái tên xuất hiện trong phần giới thiệu về DNA là James Watson, Francis Crick và Maurice Wilkins. Giải Nobel của họ—được trao vào năm 1965—được in nghiêng bên cạnh một bức ảnh kinh điển về Watson và Crick đang chiêm ngưỡng mô hình xoắn kép. Giải thưởng được trao “cho những khám phá liên quan đến cấu trúc phân tử của axit nucleic và ý nghĩa của nó đối với việc truyền thông tin trong vật liệu sống”. Những từ đáng chú ý là cấu trúc phân tử, không phải khám phá.
Vậy thì ai đã khám phá ra DNA?
Friedrich Miescher – Người khám phá ra DNA
Friedrich Miescher sinh ra trong một gia đình đắm chìm trong khoa học vào ngày 13 tháng 8 năm 1844 tại Thụy Sĩ. Cả cha và chú của ông, Johann F. Miescher và Wilhelm His, đều là những bác sĩ, nhà giải phẫu học và giáo sư nổi tiếng tại Đại học Basel. Miescher thể hiện sự quan tâm sâu sắc đến khoa học và bắt đầu học y khoa tại Basel, nhưng sau đó quyết định rằng nghiên cứu sẽ thỏa mãn sự tò mò của ông về thế giới tự nhiên.
Friedrich Miescher đã khám phá ra DNA như thế nào?
Câu chuyện về DNA bắt đầu vào năm 1868 khi Friedrich Miescher gia nhập phòng thí nghiệm của Felix Hoppe-Seyler. Miescher quan tâm đến thành phần hóa học của tế bào.Phòng thí nghiệm của Hoppe-Seyler là nơi sinh học và hóa học bắt tay nhau. Môi trường này cung cấp cho Miescher những công cụ phù hợp để tiến hành điều tra. Sử dụng mủ từ băng phẫu thuật tươi lấy từ một phòng khám gần đó, Miescher đã thu được bạch cầu, tế bào mà ông lựa chọn để làm việc.
Miescher là một nhà khoa học tỉ mỉ, ghi chép mọi chi tiết và làm việc rất thận trọng. Cách tiếp cận kiên nhẫn này cho phép Meischer phát hiện ra điều gì đó kỳ lạ giữa các protein và lipid. Trong khi thực hiện các thử nghiệm, ông nhận thấy rằng một chất kết tủa trong điều kiện axit. Phấn khích và tò mò, ông bắt đầu khám phá chất kết tủa bất thường này.
Ông đã thực hiện một số thí nghiệm để kết tủa chất này ra khỏi dung dịch. Chất kết tủa chưa biết này hòa tan trong điều kiện kiềm, nhưng kết tủa khi dung dịch được trung hòa. Ngay cả khi dung dịch được làm cho có tính axit, chất này vẫn không hòa tan trở lại vào dung dịch.
Thí nghiệm hóa học Miescher thực hiện để xác nhận DNA
Protein mang cả phân tử tích điện dương và tích điện âm trong cấu trúc của chúng. Tùy thuộc vào độ pH của dung dịch, toàn bộ protein có thể tích điện dương hoặc tích điện âm. Ở độ pH mà protein có điện tích dương hoặc âm, nó sẽ vẫn hòa tan trong dung dịch.
Không gian phòng thí nghiệm của Friedrich Miescher ở Tübingen, Đức
Các ion trong nước sẽ tương tác với các chất tích điện trên protein, giữ protein trong dung dịch. Tuy nhiên, ở một độ pH cụ thể (độc nhất đối với mỗi protein), điện tích ròng trên protein là 0, nghĩa là protein không tích điện. Ở độ pH này, các phân tử protein bắt đầu tương tác với nhau thay vì với các ion xung quanh. Sự tương tác này khiến protein kết tụ và chúng kết tủa ra ngoài. Độ pH này được gọi là điểm đẳng điện hoặc pI. Thay đổi độ pH, tránh xa pI của nó, protein sẽ hòa tan trở lại vào dung dịch.
Chất kết tủa của Miescher không hòa tan trong nhiều độ pH có tính axit. Ông đi đến kết luận rằng đây không phải là protein.
Để chắc chắn, Miescher đã thực hiện thêm một số thử nghiệm nữa. Ông đốt chất kết tủa và tìm thấy tất cả các nguyên tố hữu cơ thông thường – oxy, carbon, hydro và nitơ. Thứ mà ông không tìm thấy là lưu huỳnh, một nguyên tố phổ biến trong hầu hết các protein. Ông lưu ý rằng chất kết tủa có một lượng phốt pho đáng kể trong đó. Phốt pho không có trong bất kỳ phân tử sinh học nào khác.
Ông cũng cho chất kết tủa tiếp xúc với protease, enzyme phân hủy protein thành các khối xây dựng của chúng—amino axit. Protease không ảnh hưởng đến chất kết tủa, củng cố thêm quan điểm của ông rằng đây không phải là protein. Ông cũng biết, dựa trên công trình trước đó, rằng chất này được tìm thấy trong nhân, vì vậy ông đặt tên cho nó là nuclein.
Bài báo nêu bật khám phá của Miescher ra đời vào năm 1871. Miescher tiếp tục nghiên cứu về nuclein, thích sử dụng tinh trùng cá hồi làm vật liệu. Công trình của ông cho thấy phốt pho bất thường trong nuclein có mặt dưới dạng axit photphoric. Nhận thấy rằng phân tử này khuếch tán kém, ông suy luận rằng nó phải nặng (hay còn gọi là trọng lượng phân tử cao). Ông đã đoán đúng rằng một phân tử cơ bản, mà ông gọi là protamine, có liên quan đến nuclein.
Cùng nhau, những chất này tạo nên khối lượng của đầu tinh trùng mà ông đang nghiên cứu. Nghiên cứu sau đó cho thấy Miescher đã đúng về tất cả những điều này!
DNA sau Miescher
Trong những năm sau đó, Miescher đã thay đổi trọng tâm nghiên cứu của mình. Khi đạt được chức giáo sư, ông bắt đầu bị gánh nặng bởi những trách nhiệm khác. Nhiệm vụ nghiên cứu DNA được chuyển giao cho các nhà khoa học khác.
Chuỗi xoắn kép DNA với bốn bazơ nitơ đóng vai trò là các bậc thang, với xương sống bao gồm đường (deoxyribose đối với DNA và ribose đối với RNA) và phosphate.
Nhiều nhà hóa học, đặc biệt là những người biết Miescher và Hoppe-Seyler, bắt đầu nghiên cứu về nuclein. Albrecht Kossel, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Hoppe-Seyler (và sau này là người đoạt giải Nobel) phát hiện ra rằng nuclein bao gồm bốn bazơ và đường. Eduard Zacharias, một nhà thực vật học, đã kết hợp khái niệm nhiễm sắc thể với nuclein, chứng minh rằng nuclein là một thành phần quan trọng của nhiễm sắc thể.
Mặc dù vậy, DNA vẫn nhận được ít sự chú ý từ cộng đồng khoa học vào thời điểm đó. Hầu hết các chuyên gia, bao gồm cả Miescher, tin rằng protein là thành phần di truyền, chứ không phải axit nucleic (sau này được Richard Altmann đổi tên). Nhiều người lý luận rằng axit nucleic về mặt hóa học quá đơn giản để tạo ra sự đa dạng năng động như vậy trong sự sống. Mặt khác, protein được tạo thành từ 20 loại axit amin khác nhau và đủ phức tạp để cung cấp sự đa dạng của sự sống mà chúng ta thấy xung quanh mình.
Điều này khiến axit nucleic bị bỏ qua ở mức độ lớn. Công việc nghiên cứu phân tử này bị đình trệ và trọng tâm chủ yếu chuyển sang protein. Tất cả những điều này đã thay đổi khi một chuỗi các thí nghiệm—đầu tiên là của Griffith vào năm 1928, sau đó là của Avery, MacLeod và McCarthy vào năm 1944, và cuối cùng là của Hershey và Chase vào năm 1952—chứng minh rằng DNA là vật liệu di truyền trong tế bào.
Tuy nhiên, thỏa thuận vẫn chưa được chốt! Nếu không hiểu cấu trúc của DNA, thật khó để nói một cách chắc chắn (hoặc chắc chắn nhất có thể theo khoa học) rằng DNA chắc chắn là phân tử mang lại sự sống. Watson và Crick tại Cambridge, Wilkins và Rosalind Franklin cùng học trò Raymond Gosling, cũng như Linus Pauling (nổi tiếng với protein alpha helix) đều đang nỗ lực khám phá cấu trúc của DNA. Nhờ sự kết hợp của may mắn, sự khéo léo và cảm hứng, Watson và Crick đã về đích đầu tiên.
Mô hình chuỗi xoắn kép DNA được James Watson và Francis Crick xây dựng vào năm 1953
Kể từ khi phát hiện ra chúng và xác nhận cấu trúc DNA, thế giới axit nucleic không bao giờ còn như trước nữa. Công việc nghiên cứu phân tử này tăng vọt và trong 3 thập kỷ tiếp theo, một lượng lớn công việc mang tính đột phá đã được thực hiện.
Sau khi Friedrich Miescher qua đời ở tuổi 51 vì bệnh lao, chú của ông là Wilhelm His đã viết trong phần giới thiệu tuyển tập tác phẩm của Miescher rằng: “Sự trân trọng dành cho Miescher và tác phẩm của ông sẽ không hề giảm đi; ngược lại, nó sẽ ngày càng lớn mạnh và những khám phá và suy nghĩ của ông sẽ là hạt giống cho một tương lai tươi sáng”. Ngày nay, chúng ta vẫn đang nghiên cứu DNA và các axit nucleic khác để tìm ra bí mật của quá trình tiến hóa, sức khỏe và sự khởi đầu của sự sống trên Trái đất, vì vậy những lời đó hoàn toàn đúng và Miescher sẽ luôn giữ một vị trí nổi tiếng trong lịch sử DNA!
