Bí mật của cuộc sống - cấu trúc xoắn kép DNA

James Watson, Francis Crick và Maurice Wilkins được trao tặng giải NobelY học năm 1962 cho „những khám phá liên quan đến cấu trúc phân tử của axit nucleic (DNA) và tầm quan trọng của DNA đối với việc truyền thông tin di truyềntrong vật sống”.

Vì chỉ Watson, Crick và Wilkins trong số 4tác giả chính của 3 bài báo trên được trao giải thưởng, nên cho tới hiện tại vẫn tồn tại một chủ đề tranh luận về việc liệu Watson và Crick có đưa ra được mô hình cấu trúc DNA nếu họ không được biết „bức ảnh 51”, liệu có thể hoặc cần thêm bao nhiêu thời gian nữa thì Franklin tự suy luận ra được cấu trúc DNA dựa trên dữ liệu thực nghiệm của chính mình. Nhân dịp mùng 2 tháng 4, bài báo điểm lại bằng chứng lịch sử liên quan tới các bài báo về DNA vào thời điểm đó.

DNA là gì?

DNA(từ viết tắt thuật ngữ tiếng Anh Deoxyribose nucleic acid)hay còn được biết đến dưới cái tên ADN (từ tiếng Pháp acide désoxyribonucléique)là phân tửmang thông tin di truyềnmã hóa, và là một trong bốn loại đại phân tử sinh học chính có vai trò quan trọng thiết yếu đối với mọi dạng sống được biết đến trên Trái Đất. Các phân tử DNA được cấu tạo từ hai mạch polyme sinh học xoắn đều quanh một trục (tưởng tượng) tạo thành chuỗi xoắn kép. Phát hiện cấu trúc dạng chuỗi xoắn kép DNA là một trong những thành tựu khoa học quan trọng của thế kỷ 20.

Cấu trúc dạng chuỗi xoắn kép DNA. Sơ đồ DNA trong bài báo của Watson và Crick năm 1953 do Odile Crick (vợ của Francis Crick) vẽ (trái) và mô hình của Watson và Crick trưng bày trong bảo tàng Cavendish (phải, ảnh của tác giả). Hai mạch phốt phát-đường song song ngược chiều nhau, các bậc nối giữa hai mạch là các cặp cơ sở (base pairing).

Bức ảnh 51-bằng chứng quan trọng

„Bức ảnh 51” là biệt danh được đặt cho hình ảnh nhiễu xạ tia X chất lượng cao của hình dạng B của DNA do Gosling chụp vào tháng 5 năm 1952. Các tinh thể DNA được tạo ra từ mẫu DNA mà Wilkins nhận được từ nhà hóa sinh người Thụy Sĩ Rudolf Signer.

Trong giai đoạn 1948-1950, Wilkinsđã nghiên cứu tạo ra hình ảnh nhiễu xạ tia X đầu tiên của DNA. Khoảng tháng 5 1950, Wilkins và Gosling (khi đó vừa tốt nghiệp đại học) đã thu được nhiều bức ảnh chụp tinh thể DNA bằng nhiễu xạ tia X. Một trong những bức ảnh này được Wilkins trình bày tại một cuộc họp ở Napoli năm 1951 đã làm Watson quan tâm. Tháng 11 năm 1951, Wilkins đã có bằng chứng cho thấy DNA trong các tế bào cũng như DNA tinh khiết có cấu trúc xoắn ốc. Wilkins đã tới Cambridge gặp và chia xẻ thông tin này với Watson và Crick. Sau đó Wilkins đã thu được hình ảnh rõ ràng của DNA thể hiện như chữ X trên ảnh nhiễu xạ tia X và gửi cho Watson và Crick.

Bức ảnh 51-hình ảnh nhiễu xạ tia X chất lượng cao của hình dạng B của DNA thể hiện như chữ X do Gosling chụp vào tháng 5 năm 1952 và đăng trong bài báo của Franklin và Gosling năm 1953.

Từ đầu năm 1951 đến tháng 3 năm 1953 Franklin tham gia nhóm nghiên cứu về DNA tại phòng thí nghiệm vật lý Wheatstone của trường King, London, do John Randall lãnh đạo. Wilkins là trợ lý của Randall. Trong nhóm còn có Alex Stokesvà Herbert Wilson. Stokes là người đã giải bài toán học cơ bản về lý thuyết nhiễu xạ và nghĩ rằng dữ liệu nhiễu xạ tia X của Wilkins đã chỉ ra cấu trúc xoắn ốc trong DNA. Theo ý của Randall, Gosling chuyển sang làm việc dưới sự hướng dẫn của Franklin.

Trong giai đoạn 1951-1953, Franklin và Gosling đã hoàn thiện kỹ thuật chụp ảnh nhiễu xạ tia X của DNA và thu được những hình ảnh nhiễu xạ sắc nét nhất. Sau khi Franklin rời khỏi học viện King đến học viện Birkbeck, từ tháng 3 năm 1953, Gosling quay lại làm việc dưới sự hướng dẫn của Wilkins và bảo vệ luận vấn tiến sĩ năm 1954.

Từ tháng 3 năm 1952, Franklin tập trung nghiên cứu dạng A, trong khi Wilkins tiếp tục với dạng B của DNA. DNA tồn tại trong hai dạng, dạng A hay B, phụ thuộc vào độ ngậm nước. Khi độ ẩm xung quanh đến khoảng 75%, phân tử DNA tồn tại ở dạng A, phân tử ‘khô’. Khi độ ẩm lên đến 95%, phân tử DNA bị kéo dài thêm cỡ 25%. Tia X nhiễu xạ trên các phân tử ‘ướt’ này sẽ cho hình ảnh đặc trưng như chữ X, đặc điểm đặc trưng của cấu trúc xoắn. Franklin thu nhận được khá nhiều hình ảnh của phân tử ướt, tuy nhiên lại cất nó trong ngăn tủ, vì quan tâm nhiều hơn đến phân tử khô. Tháng 7 năm 1952, Franklin đã thông báo về nghi ngờ của mình về bản chất xoắn ốc của dạng A. Đến tháng 2 năm 1953, Franklin quay lại với phân tích kết quả của dạng B.

Đầu năm 1953, Watson đến thăm trường King.Bức ảnh 51 được cho là đã được Wilkins đưa cho Watson xem, đã giúp xác định tính chất xoắn ốc của các chuỗi xoắn kép, cung cấp thông tin cần thiết cho việc phát triển mô hình DNA.

Khám phá thực sự của James Watson và Francis Crick là gì?

Watsonvà Crick không phải là người phát hiện ra DNA. DNA lần đầu tiên được xác định năm 1869 bởi nhà hóa học sinh lý người Thụy Sĩ Friedrich Miescher. Năm 1944, Oswald Avery đã chứng minh rằng DNA mang mã di truyền của sinh vật. Nhưng phải đến đầu những năm 1950, nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật tiên tiến trong việc xây dựng mô hình các cấu trúc ba chiều, dựa trên khoảng cách phân tử và góc liên kết, cấu trúc DNA mới được nghiên cứu kỹ lưỡng. Tháng 2 năm 1953, Linus Pauling đã đề xuất một mô hình bao gồm 3 chuỗi xoắn ốc đan xen cho cấu trúc ba chiều của DNA. Bài báo của Pauling được xuất bản trong tạp chí Tự nhiên. Mô hình này là sai. Tuy nhiên nó là chất xúc tác để Watson và Crick xây dựng mô hình của họ.

Tháng 4 năm 1953, Watson và Crick đã đưa ra được mô hình mô tả chính xác về cấu trúc xoắn kép phức tạp của phân tử DNA. Khám phá rất quan trọng của họ là 1) DNA bao gồm hai mạch chứa phốt phát-đường bên ngoài song song và ngược chiều nhau, 2) các bậc nối giữa hai mạch là từng các cặp cơ sở (base pairing). Bài báo nổi tiếng của họ chỉ dài hơn một trang bao gồm một sơ đồ tuyệt đẹp về chuỗi xoắn kép được vẽ bằng tay bởi Odile Crick-vợ của Francis Crick. Đặc biệt họ cũng đề cập đến việc nhận được bản thảo của Pauling trước khi nó được xuất bản (do con trai của Pauling đang làm việc tại Cambrige đưa cho Watson xem vào cuối tháng 1 năm 1953; Watson cũng đưa cho Wilkins và Franklin xem), cũng như việc tiếp cận nguồn dữ liệu riêng (chưa xuất bản) của Wilkins và Franklin.

Hai bài báo của Wilkins và Franklin bao gồm sự phân tích tỉ mỉ các dữ liệu nhiễu xạ tia X của họ, đều cần thiết cho khám phá cấu trúc DNA. Họ đều đăng bức ảnh nhiễu xạ tia X của DNA có dạng cấu trúc B (phân tử ướt) thể hiện như chữ X. Bức ảnh 51 đăng trong bài của Franklin rõ nét hơn. Cả hai nhóm cùng đề cập ý tưởng cấu trúc hình chuỗi xoắn. Wilkins khẳng định dữ liệu của mình là phù hợp với mô hình của Watson và Crick, trong khi Franklin nêu là kết quả của họ không phù hợp với mô hình đó.

Trong cả 3 bài đăng (trong tạp chí Tự nhiên tháng 4 năm 1953), các tác giả đều cảm ơn lẫn nhau về các thảo luận. Wilkins và Franklin cùng trích dẫn “mô hình của Watson và Crick” đã được thông báo trước (preceded communication).

Ý tưởng mang tính bước ngoặt của Watson và Crick trong phát triển mô hình hóa học của phân tử DNA phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khác. Đặc biệt là từ bức ảnh 51, Watson and Crick đã đánh giá được các thông số quan trọng về kích thước và cấu trúc của chuỗi xoắn. Mặt khác, những tính năng chính và chuẩn xác của mô hình Watson và Crick, kể từ khi ra đời vào năm 1953, vẫn giữ nguyên cho đến ngày nay; những nghiên cứu tiếp theo cho biết thêm nhiều thông tin chi tiết nhưng cũng chỉ đưa đến một số thay đổi nhỏ của cấu trúc. Mô hình của Watson và Crick đã giúp chúng ta biết rất nhiều về cấu trúc di truyền, có những bước tiến lớn trong việc tìm hiểu bộ gen của con người và tầm quan trọng của DNA đối với sự sống và sức khỏe.

Khám phá cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA lần đầu tiên được công bố ở đâu?

Lần đầu tiên Watson và Crick công bố kết quả của họ là vào ngày 28 tháng 2 năm 1953, nhưng không phải trong khuôn khổ một hội nghị hay tại nơi làm việc, mà tại quán bia Đại Bàng ở Cambridge.

Quán Đại Bàng là một địa điểm rất nổi tiếng, vì là nơi gặp gỡ của giới khoa học ở phòng thí nghiệm Cavendish. Trên bức tường bên ngoài, có tấm bảng hiệu về “phát hiện cấu trúc xoắn DNA năm 1953-Bí mật của cuộc sống”. Tấm bảng này được Watson khánh thành năm 2013, nhân dịp kỷ niệm 60 năm công bố bài báo về cấu trúc DNA.

Quán bia Đại Bàng ở Cambridge, nơi Watson và Crick đã công bố phát hiện của họ về cấu trúc chuỗi xoắn DNA vào ngày 28 tháng 2 năm 1953.

(Ảnh của tác giả).

Sau công bố các bài báo về DNA, Watson, Crick, Franklin chuyển hướng nghiên cứu. Chỉ có Wilkins tiếp tục dùng kỹ thuật nhiễu xạ tia X nghiên cứu cấu trúc phân tử bao gồm cả nghiên cứu kiểm chứng mô hình DNA.

Tài liệu tham khảo:

1/ L. Pauling, R.B. Corey, Structure of the Nucleic Acids, Nature 171 (21 February 19531953) 346.

2/ J.D. Watson, F.H. Crick, Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid, Nature 171 (submitted 2 April, published 25 April 1953) 737–738.

3/ M.H. Wilkins, A.R. Stokes, H.R. Wilson, Molecular structure of deoxypentose nucleic acids, Nature. 171 (submitted 2 April, published 25 April 1953) 738–740.

4/ R.E. Franklin, R.G. Gosling, Molecular configuration in sodium thymonucleate, Nature 171 (submitted 2 April, published 25 April 1953) 740–741.

5/ J. Watson, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structureof DNA (Atheneum, New York, 1968).

6/ Mc Grayne Sharon Bertsch, Nobel prize women in science - their lives,  struggles and momentous discoveries, second edition, Joseph Henry press (Washington D.C.2006). ISBN:0-309-07270-0

7/ Lịch sử DNA https://www.dna-worldwide.com/resource/160/history-dna-timeline

Chú dẫn:

James Dewey Watson-nhà sinh vật học phân tử và di truyền học Mỹ và Francis Harry Compton Crick-nhà sinh-lý học phân tử người Anh khi đó làm việc tại phòng thí nghiệm Cavendish ở trường đại học Cambridge (trong giai đoạn 1951-1953).

Ngài John Turton Randall là nhà vật lý học và sinh vật học người Anh, đã có công cải tiến kỹ thuật liên quan đến radar, là một trong những chìa khóa cho chiến thắng của quân Đồng minh trong Chiến tranh thế giới thứ hai.

Maurice Hugh Frederick Wilkins-nhà vật lý học và sinh học phân tử người New Zealand, Rosalind Elsie Franklin-nhà hóa học và tinh thể học tia X người Anh, Alexander Rawson Stokes và Herbert Rees Wilson là các nhà vật lý học người Anh, Raymond George Gosling là nghiên cứu sinh cùng làm việc trong nhóm nghiên cứu về DNA tại trường King do ngài John Randall lãnh đạo. (Trong giai đoạn 1950-1954).

Linus Carl Pauling là nhà hóa-sinh học người Mỹ, đạt giải Nobel Hóa học năm 1954. Ông còn là nhà hoạt động vì hòa bình được trao giải Nobel Hòa bình năm 1962.