Ngày 28 tháng 2 năm 1953, trong một quán rượu ở Cambridge, Francis Crick được cho là đã tuyên bố rằng ông và James Watson vừa "tìm ra bí mật của sự sống". Câu nói nghe có vẻ ngông cuồng, nhưng lần này nó đúng. Mô hình xoắn kép DNA mà hai người công bố vài tuần sau đó đã giải thích cùng lúc hai câu hỏi lớn nhất của sinh học: thông tin di truyền được lưu trữ thế nào, và nó tự sao chép ra sao.

Nguồn gốc: cuộc đua đến cấu trúc của gene

Đầu thập niên 1950, giới khoa học đã biết DNA là phân tử mang thông tin di truyền, và biết thành phần của nó gồm bốn loại base: adenine, thymine, guanine và cytosine. Erwin Chargaff còn phát hiện một quy luật lạ: lượng adenine luôn xấp xỉ thymine, guanine luôn xấp xỉ cytosine. Nhưng không ai biết phân tử ấy có hình dạng gì trong không gian.

Ba nhóm cùng chạy đua. Tại Đại học King's College London, Rosalind Franklin — chuyên gia hàng đầu về tinh thể học tia X — cùng nghiên cứu sinh Raymond Gosling đã chụp được những ảnh nhiễu xạ DNA sắc nét nhất thế giới. Tháng 5 năm 1952, họ tạo ra "Bức ảnh 51", tấm ảnh nhiễu xạ cho thấy rõ một vệt chữ X đặc trưng, dấu hiệu không thể nhầm của cấu trúc xoắn. Tại Cambridge, Watson và Crick chọn con đường dựng mô hình vật lý bằng bìa và thanh kim loại, thử ghép các nguyên tử như một trò xếp hình ba chiều.

Tháng 1 năm 1953, Maurice Wilkins — đồng nghiệp của Franklin tại King's — cho Watson xem Bức ảnh 51 mà không được sự đồng ý của bà. Kết hợp dữ kiện ấy với quy tắc Chargaff, Watson nhận ra adenine bắt cặp với thymine và guanine bắt cặp với cytosine bằng các liên kết có độ dài bằng nhau. Ngày 25 tháng 4 năm 1953, bài báo dài đúng một trang của Watson và Crick đăng trên tạp chí Nature, kèm ngay sau đó là bài của Franklin và Gosling cùng bài của nhóm Wilkins. Năm 1962, Watson, Crick và Wilkins nhận giải Nobel Y học; Franklin đã qua đời vì ung thư buồng trứng năm 1958 ở tuổi 37, mà giải Nobel thì không truy tặng người đã mất.

Nguyên lý: một chiếc thang xoắn biết tự sao chép

Mô hình xoắn kép ví DNA như một chiếc thang bị xoắn lại. Hai tay vịn của thang là các chuỗi đường-phosphate chạy ngược chiều nhau, còn mỗi bậc thang là một cặp base bắt cặp chọn lọc: A với T, G với C. Chính nguyên tắc bắt cặp này là chìa khóa. Nếu tách hai sợi ra, mỗi sợi tự nó là một khuôn hoàn chỉnh: cứ theo quy tắc A–T, G–C mà lắp sợi mới, và ta có hai bản sao giống hệt bản gốc.

Thứ tự các base dọc theo sợi DNA tạo thành một bản mật mã bốn ký tự. Mỗi bộ ba ký tự liên tiếp quy định một axit amin, và chuỗi axit amin gấp lại thành protein — những cỗ máy thực thi hầu hết hoạt động của tế bào. Nói cách khác, hình dạng xoắn kép không chỉ là kiến trúc đẹp: nó chính là cơ chế lưu trữ và truyền đạt thông tin của mọi sinh vật trên Trái Đất.

Tác động: nền móng của toàn bộ sinh học hiện đại

Hiểu cấu trúc DNA biến di truyền học từ môn khoa học mô tả thành khoa học phân tử. Từ đó mở ra chuỗi thành tựu nối tiếp: giải mã bộ gene người hoàn thành năm 2003 với khoảng ba tỷ cặp base, xét nghiệm DNA trong pháp y và tìm thân nhân, chẩn đoán bệnh di truyền trước khi có triệu chứng, thuốc điều trị nhắm trúng đích phân tử, và công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR. Ngành công nghệ sinh học trị giá hàng trăm tỷ đô la ngày nay đều đứng trên nền là mô hình một trang giấy năm 1953.

Câu chuyện này cũng trở thành bài học lâu dài về đạo đức khoa học: vai trò của Franklin bị lu mờ suốt nhiều năm, và chỉ khi cuốn hồi ký năm 1968 của Watson vô tình tiết lộ cách dữ liệu của bà bị sử dụng, công luận mới nhìn lại và ghi công xứng đáng cho bà.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Bài báo công bố một trong những khám phá lớn nhất thế kỷ 20 chỉ dài một trang và chứa đúng một hình vẽ, do Odile Crick — vợ của Francis Crick — thực hiện.
  • Bức ảnh 51 thực ra do Raymond Gosling chụp dưới sự hướng dẫn của Franklin; tấm ảnh được tạo ra sau hơn 100 giờ phơi sáng tia X.
  • Watson và Crick từng dựng một mô hình sai hoàn toàn vào năm 1951 với ba sợi xoắn và các base hướng ra ngoài; chính Franklin là người chỉ ra lỗi khi được mời đến xem.
  • Câu kết nổi tiếng của bài báo 1953 — gợi ý rằng nguyên tắc bắt cặp "gợi ra ngay một cơ chế sao chép" — được coi là một trong những câu nói khiêm tốn nhất lịch sử khoa học, vì nó chính là toàn bộ bí mật của di truyền.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Watson và Crick tự mình phát hiện ra DNA." DNA đã được phân lập từ năm 1869 bởi Friedrich Miescher, và vai trò mang thông tin di truyền của nó được xác lập trước 1953. Watson và Crick giải được cấu trúc của phân tử — một thành tựu khác hẳn, và dựa trên dữ kiện thực nghiệm của nhiều người đi trước.

Hiểu lầm: "Franklin bị đánh cắp công lao và không đóng góp gì vào mô hình." Thực tế phức tạp hơn: dữ liệu của bà là bằng chứng quyết định, bài báo của bà đăng cùng số tạp chí năm 1953, và bà là một nhà khoa học độc lập đang tiến rất gần đến đáp án. Điều đáng tiếc nằm ở chỗ dữ liệu của bà được chuyển cho đối thủ mà bà không hay biết, và giải Nobel 1962 diễn ra sau khi bà qua đời nên không thể ghi tên bà.

Nguồn tham khảo