Ống nghiệm lúc 3 giờ sáng và “từ điển” đầu tiên của mã di truyền
Lúc 3 giờ sáng ngày 27 tháng 5 năm 1961, một phản ứng bất thường xuất hiện trong đúng một ống nghiệm. Heinrich Matthaei đã thêm RNA nhân tạo chỉ gồm ký tự U vào 20 hỗn hợp amino acid; ống chứa phenylalanine phóng xạ cho tín hiệu cho thấy amino acid này đang được đưa vào protein. Từ dấu hiệu nhỏ đó, các nhà khoa học có manh mối đầu tiên để trả lời câu hỏi lớn: RNA có phải là bản trung gian truyền chỉ dẫn từ DNA đến nơi tạo protein hay không? [1]
Theo Science History Institute, phát hiện này không tự mình đọc hết mã di truyền. Nó giống một từ đầu tiên trong cuốn từ điển: UUU được nối với phenylalanine, mở đường cho việc giải nghĩa những tổ hợp còn lại của RNA. [1]
Vì sao DNA cần một người trung gian?
DNA chỉ sử dụng bốn loại nucleotide, nhưng tế bào phải tạo ra rất nhiều protein khác nhau. Protein lại được cấu thành từ 20 amino acid, sắp xếp theo những trình tự riêng. Sau khi mô hình xoắn kép của DNA được công bố năm 1953, câu hỏi không còn chỉ là DNA có thể sao chép ra sao, mà là thông tin trong nó được chuyển thành trật tự amino acid bằng cách nào. [1]
Ý tưởng về RNA thông tin, sau này thường gọi là messenger RNA, đưa ra một lời giải hợp lý: DNA lưu hướng dẫn, RNA chép hoặc truyền phần hướng dẫn cần dùng, còn bộ máy của tế bào dựa vào RNA để lắp protein. Nhưng đây vẫn là một giả thuyết cần được kiểm tra bằng phản ứng có thể quan sát được, chứ không thể chỉ suy ra từ hình dạng của DNA. [1]
Nirenberg bắt đầu từ câu hỏi nào?
Marshall Nirenberg đến Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ chỉ hai năm sau khi nhận bằng tiến sĩ. Ông từng nghiên cứu cơ chế tế bào hấp thụ đường trong tế bào khối u, không được đào tạo chính quy về sinh học phân tử và cũng chưa có kinh nghiệm trong hai lĩnh vực đang dẫn đầu cuộc đua: tổng hợp protein và điều hòa gene ở Escherichia coli. [1]
Thay vì cố giải ngay toàn bộ mã di truyền, Nirenberg đặt câu hỏi nền tảng hơn: có tồn tại một loại RNA đứng giữa DNA và protein không? Nếu RNA thật sự làm khuôn cho quá trình tổng hợp protein, một RNA có trình tự đơn giản và được đưa vào dịch chiết tế bào phải tạo ra một dấu hiệu nhận biết được. [1]
20 ống nghiệm đã biến một giả thuyết thành phép thử
Nirenberg và Heinrich Matthaei dùng các thành phần bên trong tế bào Escherichia coli, rồi chia chúng vào 20 ống nghiệm. Mỗi ống có một hỗn hợp gồm 19 amino acid “lạnh” và một amino acid được đánh dấu phóng xạ. Cách bố trí này giúp họ biết phản ứng, nếu xảy ra, đã ưu tiên amino acid nào. [1]
RNA thử nghiệm là poly-U, một chuỗi nhân tạo chỉ dùng nucleotide uracil, ký hiệu U. Khi cùng một poly-U được thêm vào cả 20 ống, chỉ ống có phenylalanine phóng xạ cho hoạt tính bất thường. Tín hiệu ấy cho thấy chuỗi UUU có thể chỉ dẫn việc đưa phenylalanine vào protein. Nói cách khác, họ đã tìm được một liên hệ cụ thể giữa một bộ ba nucleotide và một amino acid. [1]
Điều gì thực sự được phát hiện trong đêm đó?
Thí nghiệm không cho thấy RNA tự mình tạo ra protein, cũng không chứng minh mọi chi tiết của quá trình trong một tế bào sống. Điều nó chỉ ra là một RNA nhân tạo có thể làm trung gian để hệ thống chiết xuất từ tế bào lắp amino acid thành protein, và trình tự rất đơn giản của nó có thể quyết định amino acid được đưa vào. [1]
Đây là bước quan trọng vì nó nối ba tầng thông tin với nhau: DNA chứa chỉ dẫn, RNA mang dạng chỉ dẫn có thể được đọc trong hệ thống tổng hợp protein, còn protein nhận kết quả dưới dạng trình tự amino acid. “Từ điển” chưa hoàn chỉnh, nhưng UUU đã trở thành mục từ đầu tiên có nghĩa rõ ràng. [1]
Từ một bộ ba đến toàn bộ bảng mã
Sau kết quả poly-U, các nhóm nghiên cứu thử những polynucleotide khác, tức các chuỗi được tạo từ những tổ hợp khác nhau của bốn nucleotide. Cuộc đua khi ấy diễn ra giữa nhiều phòng thí nghiệm. Nhóm của Severo Ochoa cũng nhanh chóng đạt được kết quả với các polynucleotide khác, buộc Nirenberg phải tổ chức một hợp tác làm việc liên tục giữa nhiều đồng nghiệp. [1]
Trong cách đọc này, ba nucleotide liên tiếp tạo thành một codon, hay bộ ba mã hóa. Khi các bộ ba khác lần lượt được đối chiếu với amino acid, bản đồ mã di truyền dần hoàn thiện. Đến năm 1966, Nirenberg và nhóm của ông đã giải mã 64 codon liên quan đến việc chỉ dẫn 20 amino acid. Hai năm sau, ông cùng Har Gobind Khorana và Robert Holley nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho những đóng góp liên quan đến mã di truyền và cơ chế tổng hợp protein. [1]
Vì sao một phản ứng nhỏ lại có ý nghĩa lớn?
Điểm đặc biệt của thí nghiệm nằm ở sự cô lập có chủ ý. Thay vì quan sát cả một tế bào với vô số quá trình đồng thời, các nhà khoa học đặt một chuỗi RNA đơn giản vào hệ thống đã chuẩn bị, đánh dấu từng amino acid và kiểm tra xem tín hiệu tập trung ở đâu. Khi chỉ một trong 20 ống cho kết quả nổi bật, phép thử đã biến câu hỏi trừu tượng về “ngôn ngữ” di truyền thành một bài toán đối chiếu có thể lặp lại. [1]
Vì thế, phát hiện UUU được ví như “hòn đá Rosetta” của sinh học phân tử: không phải vì nó tự giải thích toàn bộ hệ thống, mà vì nó cung cấp một cặp nghĩa đầu tiên để những cặp khác có thể được tìm tiếp. Nhìn lại khoảnh khắc ấy, điều đáng nhớ không chỉ là giờ làm việc khuya, mà là cách một tín hiệu nhỏ trong ống nghiệm làm rõ vai trò trung gian của RNA và mở đường cho việc đọc thông tin di truyền. [1]