Phân tử quan trọng nhất

4

Phân tử quan trọng nhất

Việc tiêu thụ những thứ được sản xuất về mặt sinh học. Tôi nghĩ Jim Watson đã có một khám phá tương đương với khám phá của Rutherford năm 1911.

Max Delbrück
(trích thư gửi Niels Bohr ngày 14 tháng 4 năm 1953)

Trong tất cả những gì xung quanh chúng ta, cuộc sống dường như là cần thiết nhất. Chúng ta đã quen với việc nó luôn ở xung quanh và trong chính chúng ta, và chúng ta đã mất khả năng ngạc nhiên. Nhưng gần như vào rừng, nhìn cây cỏ, hoa lá, chim chóc như thể mới nhìn thấy lần đầu, bạn sẽ cảm thấy bất lực trước bí ẩn lớn lao của cuộc sống. Có thực sự có điểm chung nào đó trong tất cả những điều này, thứ gì đó gắn kết tất cả chúng sinh, có thể là một người hay một vi khuẩn mà mắt thường không nhìn thấy được? Đâu là lý do cho sự tiếp diễn của cuộc sống, sự hồi sinh của nó hết lần này đến lần khác từ thế hệ này sang thế hệ khác? Những câu hỏi này đã có từ lâu đời, nhưng chỉ có chúng ta, sống ở nửa sau thế kỷ 20, mới may mắn được học đáp số lần đầu tiên.

Những biến đổi mang tính cách mạng diễn ra trong vật lý vào phần ba đầu thế kỷ của chúng ta đã có tác động sâu sắc đến các lĩnh vực khoa học khác, chủ yếu là hóa học và sinh học. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất trên con đường sáng tạo ra nền vật lý mới là việc Rutherford phát hiện ra hạt nhân nguyên tử vào năm 1911. Bản thân sự tồn tại của các nguyên tử của Rutherford hoàn toàn mâu thuẫn với lý thuyết cổ điển. Thời kỳ hình thành một ngành vật lý mới, ngày nay được gọi là cơ học lượng tử, đã bắt đầu.

Lý thuyết mới này, được Planck, Einstein và Bohr bắt đầu phát triển, đã tìm ra công thức cuối cùng và rõ ràng trong phương trình Schrödinger nổi tiếng. Phương trình này không chỉ cho phép các nhà vật lý giải quyết tất cả các “câu đố” nảy sinh trong lĩnh vực quang phổ nguyên tử, mà khi được bổ sung bởi nguyên lý Pauli, nó đã đặt toàn bộ ngành hóa học trên một nền tảng lý thuyết vững chắc. Cuối cùng, ý nghĩa của số nguyên tử trong bảng tuần hoàn đã trở nên rõ ràng, ý nghĩa thực sự của hóa trị đã rõ ràng và bản chất của liên kết hóa học đã được làm rõ.

Các nhà vật lý có cảm giác toàn năng. Và cái nhìn của họ chuyển sang sự kết nối của các kết nối - với chính cuộc sống. Liệu vật lý mới có giúp làm sáng tỏ bí ẩn của sự sống? Hoặc có lẽ ngược lại, chúng ta sẽ có thể chứng minh rằng sự sống mâu thuẫn với cơ học lượng tử, và khi đó chúng ta sẽ phải “phát minh ra” một số định luật mới. Điều này sẽ đặc biệt thú vị.

…Vào tháng 8 năm 1932, Hội nghị Quốc tế về Liệu pháp Ánh sáng được tổ chức tại Copenhagen. Niels Bohr trình bày tại một trong những cuộc họp. Bài giảng của ông có tên là “Ánh sáng và Sự sống”. Trong đó, Bohr chia sẻ suy nghĩ của mình về vấn đề sự sống gắn liền với những thành tựu mới nhất của cơ học lượng tử. Bài giảng có sự tham gia của nhà vật lý lý thuyết trẻ người Đức, thực tập sinh tại Viện Bohr ở Copenhagen, Max Delbrück. Cho đến bây giờ anh chưa bao giờ quan tâm đến sinh học. Ông nghiên cứu hóa học lượng tử, sau đó là vật lý hạt nhân, nhưng không tìm được thứ mình thích. Bài giảng của Bohr đã quyết định mọi thứ: Delbrück quyết định chắc chắn rằng ông sẽ cống hiến hết mình cho sinh học.

Trở về Berlin, Delbrück bắt đầu tìm kiếm mối liên hệ với các nhà sinh vật học. Anh ấy thật may mắn. Vào thời điểm này, nhà di truyền học nổi tiếng Nikolai Vladimirovich Timofeev-Resovsky đang làm việc tại Berlin.

Tình bạn và sự hợp tác giữa nhà vật lý Delbrück và nhà di truyền học Timofeev chỉ kéo dài vài năm,

5

Respovsky là nơi khởi đầu mà từ đó hai mươi năm sau lời giải cho bí ẩn về di truyền đã ra đời.

Delbrück bắt đầu tập hợp những người bạn là nhà vật lý tại nhà mình và mời Timofeev-Respovsky, người đã dành hàng giờ để dạy họ về khoa học - di truyền học. Trong khi kể chuyện, Timofeev-Respovsky, theo thói quen, chạy từ góc này sang góc khác, giống như một con hổ trong chuồng. Ông nói về các định luật toán học nghiêm ngặt của Mendel chi phối sự di truyền. Về gen và công trình thay thế của Morgan, người đã thiết lập các mô hình sắp xếp gen trong nhiễm sắc thể. Về loài ruồi giấm Drosophila và về những đột biến có thể gây ra ở nó bằng bức xạ tia X. Ông đang nghiên cứu câu hỏi cuối cùng này cùng với nhà vật lý thực nghiệm Zimmer.

Delbrück cực kỳ quan tâm đến công việc của họ. Nói chung, có rất nhiều điều về di truyền học phù hợp với cơ học lượng tử! Suy cho cùng, cơ học lượng tử đã mang lại sự rời rạc và gián đoạn cho vật lý học. Cô ấy cũng khiến chúng tôi coi trọng sự ngẫu nhiên. Và bây giờ hóa ra các nhà sinh vật học cũng đã phát hiện ra một hạt di truyền rời rạc, không thể phân chia - một gen - có thể chuyển đổi ngẫu nhiên từ trạng thái này sang trạng thái khác (sự chuyển đổi này được gọi là đột biến).

Gen là gì? Nó được xây dựng như thế nào? Điều này thường được thảo luận vào các buổi tối của Delbrück. Timofeev-Respovsky cho rằng nhìn chung câu hỏi này ít được các nhà di truyền học quan tâm. Đối với họ, gen giống như electron đối với các nhà vật lý. Gen là một phần cơ bản của di truyền.

• Bạn sẽ trả lời thế nào nếu tôi hỏi electron gồm những gì? - Timofeev-Respovsky từng nói. Mọi người đều cười.

• Đây là lý do khiến các nhà di truyền học bối rối khi được hỏi gen bao gồm những gì. Câu hỏi gen là gì vượt ra ngoài phạm vi của di truyền học, và sẽ chẳng có ý nghĩa gì nếu giao nó cho các nhà di truyền học,” ông tiếp tục - - Các nhà vật lý các bạn nên tìm kiếm đáp số trên anh ta.

“Tuy nhiên,” Delbrück nhấn mạnh, “thực sự không có giả thuyết nào, những giả thuyết trống rỗng?”

“Có,” Timofeev-Respovsky trả lời sau khi suy nghĩ một chút. — Giáo viên Nikolai Konstantinovich Koltsov của tôi tin rằng gen là một phân tử polyme, rất có thể là một phân tử protein.

• Ồ, điều này giải thích điều gì? - Delbrück gầy gò trực tiếp hét vào mặt Timofeev-Respovsky có bờ vai rộng và mạnh mẽ. - Vì gọi gen là protein nên chúng ta sẽ hiểu gen được tạo ra như thế nào? Rốt cuộc, đây chính xác là bí ẩn chính! Chẳng phải bạn đã kể cho chúng tôi biết hình dạng đặc trưng của đôi môi được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác trong gia đình Habsburg như thế nào sao? Cơ chế nào đảm bảo việc sao chép chính xác các gen qua nhiều thế kỷ? Hóa học có cho chúng ta những ví dụ như vậy không? Trong mọi trường hợp, tôi chưa bao giờ nghe bất cứ điều gì như thế. Không, chắc chắn phải có một bí ẩn hoàn toàn ở đây. Bí ẩn lớn. Có lẽ là một luật mới của thời kỳ đó. Bây giờ câu hỏi chính là làm thế nào để đạt được điều này bằng thực nghiệm.

Bí mật lớn ẩn sau từ “gen” ngắn gọn đã ám ảnh Delbrück. Làm thế nào để nhân đôi hoặc sao chép lại các gen xảy ra trong quá trình phân chia tế bào?

Delbrück trở nên đặc biệt phấn khích khi biết về sự tồn tại của thể thực khuẩn. Những hạt tuyệt vời này, thậm chí không thể được gọi là sống, bên ngoài tế bào hoạt động đơn giản giống như các phân tử lớn - các tinh thể thậm chí còn được phát triển từ chúng. Nhưng nếu một hạt như vậy xâm nhập vào tế bào, thì sau khoảng hai mươi phút, màng tế bào sẽ vỡ ra và hàng trăm bản sao chính xác của hạt ban đầu sẽ rơi ra. Delbrück nghĩ: “Đây là chìa khóa của giải pháp. - Đây là một hiện tượng rất đơn giản, đơn giản hơn rất nhiều so với việc phân chia cả một tế bào. Sẽ không khó để tìm ra nó ở đây. Trên thực tế, chúng ta cần xem xét các điều kiện bên ngoài sẽ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình sinh sản của các hạt virus. Chúng ta cần tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ khác nhau, trong môi trường khác nhau, với các loại virus khác nhau.”

6

Đây là cách một nhà vật lý lý thuyết trở thành một nhà sinh học thực nghiệm. Nhưng ý nghĩ - ý nghĩ vẫn thuần túy vật chất. Và điều chính là mục tiêu. Không có người nào khác trên toàn thế giới thực hiện nghiên cứu ảo với mục đích duy nhất là tìm ra cách thức hoạt động của gen.

… Năm 1937, Delbrück được mời đến làm việc tại Hoa Kỳ, nơi ông có thể cống hiến hết mình cho vấn đề tái nhân bản của thực khuẩn. Anh ta đang vội vàng tận dụng lời đề nghị này, vì cuộc sống ở đất nước Đức đang trở nên khốn khổ.

Ở Mỹ, Delbrück tập hợp xung quanh mình một số ít những người đam mê đã bị lây nhiễm ý tưởng nghiên cứu bản chất di truyền bằng cách sử dụng vi khuẩn. Đây là cách mà “nhóm phage” xuất hiện.

Nhiều năm trôi qua, các sinh viên của nhóm thể thực khuẩn ngày càng học được nhiều hơn về cách thức lây nhiễm của thể thực khuẩn, quá trình sinh sản của thế hệ phage phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài như thế nào, v.v. Nhiều nghiên cứu đáng chú ý đã được thực hiện, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu đột biến ở vi khuẩn và thể thực khuẩn. Nhưng dường như không có điều nào trong số này tiến gần đến lời giải vấn đề chính.

Như thường xảy ra trong khoa học, mọi người, đoàn kết vì lời giải lớn hơn và quan trọng hơn bài toán, dần dần bắt đầu nghiên cứu kỹ lưỡng các vấn đề cụ thể, trở thành chuyên gia bậc thầy trong lĩnh vực cụ thể của họ, nhưng không còn nhìn thấy mục tiêu ban đầu trước mắt. Vì vậy, các du khách nhìn thấy những đỉnh núi từ xa, nhưng sau đó, đến gần chúng, họ thấy mình đang ở chân đồi trong rừng, từ đó không thể nhìn thấy những đỉnh núi này. Những khu rừng này có rất nhiều nấm và quả mọng… Nếu bạn đi bộ dọc theo chân đồi một lúc lâu, những đỉnh núi tuyết nhìn từ xa bắt đầu giống như một ảo ảnh. Có lẽ đó chỉ là những đám mây trông giống như những ngọn núi tuyết? Nhưng ngay cả khi đây thực sự là những ngọn núi, tại sao lại phải lao vào đó? Ở đây thật tuyệt vời, trong những khu rừng chưa bị cháy này. Cần có tiếng nói lớn của lãnh đạo để khiến mọi người nhớ lại mục đích.

Và anh ấy đã tạo ra một giọng nói như vậy. Đó là tiếng nói của nhà lý thuyết vật lý xuất sắc, một trong những người sáng tạo ra cơ học lượng tử, Erwin Schrödingar.

Năm 1944, cuốn sách nhỏ của Schrödingar được xuất bản với tựa đề hấp dẫn “Sự sống là gì? Từ quan điểm của một nhà vật lý”. Lúc đó cô gần như không thu hút được sự chú ý. Đang có chiến tranh, và hầu hết những người đọc cuốn sách đều đắm chìm trong các vấn đề khoa học và kỹ thuật, từ lời giải điều này phần lớn phụ thuộc vào kết quả thể lực của Đức.

Nhưng khi chiến tranh kết thúc, nhiều chuyên gia xuất hiện, đặc biệt là trong số các nhà vật lý, những người phải bắt đầu lại từ đầu, tìm kiếm một vị trí trong khoa học hòa bình - đối với họ, cuốn sách của Schrödingar rất hữu ích.

Trong cuốn sách của mình (xuất bản lần đầu tiên bằng tiếng Nga vào năm 1947), trước hết Schrödinger đã trình bày rất rõ ràng và cô đọng về cơ bản di truyền học. Đối với các nhà vật lý, đây là cơ hội duy nhất để tìm hiểu, trong một bài thuyết trình và quan trọng nhất, dễ tiếp cận của người đồng nghiệp lừng lẫy của họ, nền khoa học bí ẩn, hấp dẫn này bao gồm những gì. Nhưng đó không phải là tất cả. Schrödinger đã phác thảo và phát triển thêm ý tưởng của Delbrück và Timofeev-Resovsky về mối liên hệ giữa di truyền học và cơ học lượng tử. Trong khi những ý tưởng này được bày tỏ bởi các nhà lãnh đạo mà các nhà vật lý không quen biết, họ lại không chú ý nhiều. Nhưng khi chính Schrödinger bắt đầu nói về nó…
Theo tất cả những người nghiên cứu vấn đề về gen trong những năm sau đó, chính cuốn sách của Schrödingar đã là động lực chính cho họ. Schrödinger dường như đã hét lên: “Họ đây rồi, phía trên các đỉnh núi, nhìn này, họ ở rất gần. Tại sao bạn lại trì hoãn?

Trong số nhiều người đáp lại lời thú nhận của Schrödingar, có hai người may mắn là người đầu tiên nhìn thấy khoảng cách mở ra từ trên đỉnh. Đây là một sinh viên rất trẻ của nhóm phage, Jim Watson, và một nhân viên của Phòng thí nghiệm Cavendish nổi tiếng, Francis Crick.

7

Chúng tôi sẽ không theo dõi chi tiết con đường dẫn đến đỉnh cao của họ - chính Watson đã nói về điều này trong cuốn sách “The Double Helix” của mình. Hãy thử đi con đường ngắn nhất để đến được đỉnh cao này, một trong những đỉnh cao vĩ đại nhất mà con người từng chinh phục, và ít nhất cũng cảm nhận được một chút cảm xúc của những người tiên phong và những người đi theo họ.

Bị ám ảnh bởi ý tưởng tìm ra cách thức hoạt động của một gen và tin rằng nhóm phage bài toán này vượt quá khả năng của nó, Watson đã đến làm việc ở Châu Âu vào năm 1951. Anh ấy nhanh chóng “định cư” tại Phòng thí nghiệm Cavendish, khi anh ấy gặp Crick ở đó, người cũng là chiến binh như anh ấy. Vào thời điểm đó, Watson đã chắc chắn rằng chìa khóa để giải đáp bí ẩn về gen nằm ở việc làm sáng tỏ cấu trúc của DNA.

Thực tế là vào cùng năm 1944, khi cuốn sách của Schrödinger được xuất bản, một bài báo của ba nhà vi khuẩn học người Mỹ do Avery, sáu mươi tuổi đứng đầu, đã được đăng trên một trong những tạp chí y khoa, trong những năm sau đó đã thu hút nhiều sự chú ý từ các nhà di truyền học, nhà hóa học và nhà vật lý hơn là các bác sĩ. Trong công trình được hoàn thiện tỉ mỉ này, người ta đã chứng minh một cách rõ ràng rằng khi các đặc điểm di truyền không nghiêm trọng được chuyển từ một vi khuẩn bị giết sang một vi khuẩn sống khác (hiện tượng này đã được biết đến từ lâu và được gọi là biến đổi), thì chỉ có phân tử axit socribonuclinic (DNA) được chuyển. Cả protein và bất kỳ thành phần nào khác của tế bào bị giết đều không tham gia vào quá trình biến đổi. Trên thực tế, công trình của Avery hiện được coi là bằng chứng đầu tiên cho thấy gen chính xác là một phân tử DNA. Vậy chẳng phải Avery và hai trợ lý của anh ta chứ không phải Watson và Crick là những người lần đầu tiên được thăng chức?

Không còn nghi ngờ gì nữa, Avery đã đi được một bước rất quan trọng, đúng hướng nhưng lại không đạt đến đỉnh cao. Einstein đã từng nói những lời rất sâu sắc: “Chỉ có lý thuyết mới quyết định những gì chúng ta quan sát được”. Avery không có thứ gì có thể gọi là lý thuyết, và anh chỉ giới hạn ở việc trình bày các sự kiện một cách khô khan. Tuy nhiên, điều này không làm cho vấn đề bớt nghiêm trọng hơn chút nào. Các nhà di truyền học phải đối mặt với một sự lựa chọn - hoặc họ phải từ chối tin vào dữ liệu của Avery, hoặc họ phải thừa nhận rằng bản chất của di truyền là DNA chứ không phải protein như người ta thường tin. Thật khó để không tin Avery - đơn giản là không có gì đáng đánh giá cao trong công việc của anh ấy. Chưa hết, các nhà di truyền học không bao giờ muốn có một ý tưởng được bảo vệ về bản chất protein của gen. Các thí nghiệm của Avery đã đưa ra lời giải thích như sau: Tất nhiên, DNA không và không thể chứa bất kỳ gen nào, nhưng nó có thể gây ra đột biến gen, tức là làm thay đổi các gen mà lẽ ra chúng phải bao gồm protein. Lời giải thích này đã cứu vãn lý thuyết về protein của gen. Đúng vậy, tác dụng của DNA hóa ra là không thể hiểu được: những đột biến mà nó gây ra được lặp đi lặp lại từ thí nghiệm này sang thí nghiệm khác. Và điều này, tất nhiên, không thể không khiến các nhà di truyền học quan tâm, những người từ lâu đã tìm cách thay đổi tính di truyền một cách có mục đích. Cả các nhà di truyền học và tất cả những người giải quyết vấn đề về bản chất hóa học (hoặc vật lý) của di truyền cuối cùng đều buộc phải chấp nhận rằng DNA cần được quan tâm nghiêm túc.

Thực tế là, mặc dù DNA được Miescher phát hiện ra vào năm 1869, nhưng nó vẫn là “con ghẻ” ngay cả trong số các nhà hóa sinh, chưa kể các nhà di truyền học hoặc các nhà vật lý liên quan đến sinh học. Người ta thường chấp nhận rằng DNA là một polyme điều hòa bao gồm một loạt các đơn vị bốn chiều lặp lại (adenine, guanine, thymine và cytosine), và phân tử này rất có thể thực hiện một số chức năng cấu trúc thuần túy trong nhiễm sắc thể, nhưng không liên quan gì đến việc lưu trữ và truyền thông tin di truyền. Công việc của Avery đã gây nghi ngờ về những quan điểm này.

Lý thuyết quyết định những gì Avery và trình tự của ông thực sự có thể quan sát được là mô hình cấu trúc của phân tử DNA, được phát minh bởi Watson và Crick vào năm 1953.

8

Bỏ qua các chi tiết, bản chất của mô hình Watson-Crick cực kỳ đơn giản. Phân tử DNA bao gồm hai chuỗi polymer. Mỗi chuỗi là một chuỗi nhất định gồm bốn loại liên kết - A (adenine), G (guanine), T (thymine) và C (cytozinine). Trình tự ở một trong hai mạch có thể hoàn toàn tùy ý. Sau đó, trình tự ngược lại, hoặc, như người ta nói, chuỗi bổ sung được chỉ định rõ ràng bằng cách sử dụng nguyên tắc bổ sung sau (Hình 1):
chống lại A phải là T
chống lại T phải là A
chống lại G thì phải có C
chống lại C phải có G
Nguyên tắc bổ sung được bắt nguồn từ cấu trúc không gian của các đơn vị DNA đơn phân được biết đến vào thời điểm đó. Trong đó, Watson và Crick đã làm theo phương pháp chung để xây dựng các mô hình phân tử do Linus Pauling phát triển.

Nếu bên trong mỗi chuỗi polyme bổ sung lẫn nhau, các nguyên tử được giữ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị rất mạnh, thì giữa các chuỗi có các liên kết tương đối yếu, tương tự như các liên kết giữ các phân tử gần nhau trong tinh thể.

Đặc điểm đáng chú ý nhất của mô hình Watson-Crick là nó giải quyết được vấn đề chính – vấn đề sao chép gen – một cách khéo léo lạ thường.

Rốt cuộc, nếu chúng ta tách hai chuỗi, và sau đó trên mỗi chuỗi chúng ta phát triển một chuỗi mới, theo nguyên tắc bổ sung, thì chúng ta sẽ thu được hai phân tử DNA từ một chuỗi, cả hai phân tử này sẽ giống hệt phân tử ban đầu (Hình 2).

Người ta có thể tưởng tượng Delbrück đã vui mừng thế nào khi nhận được một lá thư từ Watson có chứa lời giải bí ẩn về sự nhân đôi của gen. Ông tin tưởng ngay lập tức và vô điều kiện vào mô hình Watson-Crick. Dưới ảnh hưởng của lá thư của Watson, anh ấy đã viết những lời mà chúng tôi đã đưa ra như một lời đề tặng. Tất nhiên, sau đó ông cảm thấy biết ơn đặc biệt đối với Bohr vì đã có lúc ông đã truyền cảm hứng cho ông nghiên cứu sinh học. Không, không có định luật vật lý mới nào được phát hiện trong sinh học. Nhưng vấn đề trọng tâm, vấn đề về cấu trúc vật lý của gen, đã được giải quyết.

Hình 1.

Hình 2.

Hình 3.