Những ý tưởng 'điên rồ' thay đổi thế giới

Từ enzyme vi khuẩn chịu nhiệt, cộng hưởng hạt nhân, nọc độc thằn lằn đến hoa đột biến, những nghiên cứu tò mò này đã dẫn đến PCR, MRI, công nghệ gen và những bước tiến y học cứu sống hàng triệu người.

Từ vi khuẩn suối nóng đến công nghệ ADN trong pháp y

Mùa Hè 1966, khi còn là sinh viên tại Đại học Indiana (Mỹ), Hudson Freeze sống trong một túp lều gần Vườn quốc gia Yellowstone để cộng tác với nhà vi sinh vật học Thomas Brock, người nghi ngờ rằng tồn tại các vi sinh vật có khả năng sống trong môi trường nhiệt độ cực cao. Ngày 19/9/1966, Freeze đã nuôi thành công mẫu vi khuẩn từ suối Mushroom Spring và quan sát dưới kính hiển vi, phát hiện các tế bào sống bình thường trong môi trường gần sôi.

Ba năm sau, năm 1969, Freeze và Brock chính thức mô tả loài vi khuẩn mới mang tên Thermus aquaticus, phát triển tối ưu ở 70 độ C. Năm 1970, họ phân lập được một enzyme từ T. aquaticus vẫn hoạt động mạnh mẽ ở 95 độ C. Tiếp đó, năm 1976, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Cincinnati phát hiện enzyme polymerase ADN từ T. aquaticus, chịu được nhiệt độ khoảng 80 độ C.

Khoảng 7 năm sau, enzyme này, được biết đến với tên gọi Taq polymerase, trở thành mảnh ghép then chốt giúp nhà sinh hóa Kary Mullis phát triển phản ứng chuỗi polymerase (PCR). Phương pháp PCR cho phép sao chép nhanh hàng nghìn đến hàng triệu bản sao của một đoạn ADN duy nhất. Bởi PCR cần nhiệt cao để tách mạch ADN, chỉ có các enzyme chịu được nhiệt mới cho phép phản ứng lặp lại nhiều chu kỳ liên tiếp.

Ngày nay, PCR là công cụ không thể thiếu trong y học hiện đại - từ xác định tương thích ghép tạng, chẩn đoán ung thư, đến nhận dạng ADN trong pháp y - mở ra một kỷ nguyên mới cho sinh học phân tử và các ứng dụng công nghệ sinh học.

Nguồn gốc của chụp cộng hưởng từ

Chụp cộng hưởng từ (MRI) đã trở thành một trong những phương tiện chủ lực của y học hiện đại, cho phép ghi lại hình ảnh chi tiết về cấu trúc bên trong cơ thể mà không sử dụng bức xạ ion hóa. Biến thể theo dõi lưu lượng máu của MRI, hay fMRI, đã mở ra những khám phá quan trọng về cơ chế hoạt động của não bộ. Tuy nhiên, nguồn gốc của MRI lại bắt đầu từ những nghiên cứu vật lý hạt nhân vào thập niên 1930.

Một bước đột phá quan trọng thuộc về nhà vật lý người Mỹ Isidor Rabi và các đồng nghiệp, khi họ bắn chùm hạt nhân nguyên tử qua trường từ và quan sát hiệu ứng cộng hưởng liên quan đến “spin” - momen động lượng của proton và neutron. Rabi đã phát triển phương pháp cộng hưởng để phát hiện khi các spin thay đổi định hướng trong từ trường, đóng góp này giúp ông đoạt giải Nobel Vật lý năm 1944.

Kỹ thuật cộng hưởng sau đó được ứng dụng trong hóa học để xác định cấu trúc phân tử, nhờ tính nhạy của hạt nhân với môi trường xung quanh. Từ thập niên 1970, phương pháp này được phát triển thành công cụ hình ảnh mô sinh học, với các đóng góp then chốt của Paul Lauterbur và Peter Mansfield - hai nhà khoa học được trao giải Nobel Y học năm 2003 - đưa MRI trở thành tiêu chuẩn vàng trong y học hiện đại.

Từ củ cà rốt tới màn hình phẳng

Câu chuyện về tinh thể lỏng bắt đầu tại Praha (Cộng hòa Séc) vào đầu năm 1888, khi nhà thực vật học Friedrich Reinitzer chiết tách các este cholesterol từ củ cà rốt và phát hiện một chất có hành vi kỳ lạ: Khi đun nóng, nó mất độ rắn ở 145 độ C nhưng vẫn giữ màu xanh, chỉ mất màu ở 178 độ C.

Để làm rõ hiện tượng này, ông Reinitzer gửi mẫu cùng thư giải thích đến nhà vật lý Otto Lehmann, người sở hữu kính hiển vi có khay nhiệt để quan sát. Lehmann phát hiện rằng khi mất độ rắn, các phân tử vẫn giữ trật tự theo một hướng nhưng vẫn có khả năng di chuyển - tức là vừa mang tính chất tinh thể vừa tính lỏng. Ông đặt tên cho chúng là “tinh thể lỏng”.

Trong nhiều thập niên, khái niệm này từng bị nghi ngờ vì phá vỡ hệ phân loại vật chất truyền thống (rắn - lỏng - khí). Tuy nhiên, bằng chứng thực nghiệm cuối cùng đã thuyết phục cộng đồng khoa học. Đến cuối thập niên 1950, các nhà nghiên cứu Mỹ khôi phục hướng nghiên cứu này và mở ra kỷ nguyên ứng dụng mới. Năm 1968, màn hình đầu tiên dựa trên tinh thể lỏng (LCD) ra đời, đặt nền móng cho màn hình phẳng hiện đại.

Ngày nay, tinh thể lỏng không chỉ là “trái tim” của màn hình TV, máy tính, điện thoại, mà còn được ứng dụng trong máy ảnh, kính hiển vi, vật liệu thông minh, robot, và công nghệ chống làm giả, trở thành minh chứng cho sức mạnh của nghiên cứu cơ bản chuyển hóa thành công nghệ thực tiễn.

Khởi đầu khiêm tốn của chỉnh sửa gen

Nhà vi sinh vật học Francisco Mojica, tại Đại học Alicante (Tây Ban Nha), vẫn không khỏi sửng sốt trước những ứng dụng hiện nay của CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

Bắt nguồn từ cơ chế di truyền tự nhiên của vi khuẩn, CRISPR đã trở thành nền tảng cho công nghệ chỉnh sửa gen hiện đại, mở ra cơ hội chữa trị các bệnh di truyền nguy hiểm như hồng cầu hình liềm, rối loạn miễn dịch hay một số bệnh chuyển hóa. Bà Emmanuelle Charpentier và bà Jennifer Doudna đã được trao giải Nobel Hóa học 2020 nhờ phát triển công cụ mang tính cách mạng này.

Nguồn gốc của CRISPR quay về năm 1989, khi Mojica còn là nghiên cứu sinh tiến sĩ, nghiên cứu loài vi khuẩn cổ Haloferax mediterranei R-4 trong các ao muối tại Alicante. Khi giải trình tự một vùng bộ gen, ông phát hiện các đoạn ngắn lặp theo chu kỳ – chính là những tiền thân của CRISPR.

Ban đầu, ông chỉ đưa ra vài giả thuyết về chức năng, nhưng sau khi nhận thấy giữa các đoạn lặp xuất hiện những trình tự giống gen của bacteriophage – virus tấn công vi khuẩn – Mojica cùng các đồng nghiệp nhận ra rằng vi khuẩn sở hữu những trình tự này sẽ kháng lại bacteriophage tương ứng, gợi ý về một hệ miễn dịch thích nghi ở vi khuẩn.

Những phát hiện này mở đường cho các nghiên cứu tiếp theo: Cơ chế cắt ADN tại vị trí xác định được phát hiện, và Charpentier cùng Doudna chỉ ra cách tái lập trình hệ thống đó để chỉnh sửa gen theo ý muốn. Từ nghiên cứu cơ bản, CRISPR đã tiến hóa thành công cụ sinh học mạnh mẽ, đánh dấu bước ngoặt trong y học và công nghệ sinh học hiện đại.

Thuốc giảm cân lấy cảm hứng từ thằn lằn độc

Thuốc giảm cân và điều trị tiểu đường dựa trên tác dụng của GLP-1 (glucagon-like peptide-1), điển hình là Ozempic, đã nhanh chóng trở thành “thuốc kỳ diệu” của thời đại: Khoảng gần 5% người dân Mỹ từng sử dụng, và thị trường toàn cầu dự kiến đạt 100 tỷ USD vào năm 2030. Mặc dù, nhiều nghiên cứu ban đầu nhắm tới mục tiêu y tế, một phát hiện then chốt lại bắt nguồn từ loài thằn lằn độc duy nhất ở Mỹ: Quái vật Gila (Heloderma suspectum).

Năm 1980, nhà hóa học Svetlana Mojsov chứng minh GLP-1 kích thích tiết insulin, từ đó hạ glucose máu. Ông Daniel Drucker, tại Đại học Toronto (Canada), làm việc cùng Mojsov, ban đầu tập trung nghiên cứu điều trị tiểu đường. Đến năm 1996, nhóm của họ và các cộng sự nhận thấy GLP-1 còn có khả năng làm giảm lượng thức ăn, hé mở tiềm năng ứng dụng trong giảm cân.

Thách thức là GLP-1 có vòng đời rất ngắn trong cơ thể, chỉ vài phút, khiến việc phát triển thuốc trở nên khó khăn. Bước ngoặt xuất hiện năm 1992, khi nhóm do Jean-Pierre Raufman phát hiện một peptide có tên exendin-4 trong nọc độc của thằn lằn Gila.

Exendin-4 hoạt động giống GLP-1, có thể gắn vào thụ thể GLP-1 và bắt chước tác dụng sinh học của nó.

Khám phá này mở đường cho thuốc exenatide. Trong thử nghiệm pha III năm 2008 do Daniel Drucker dẫn dắt, exenatide cải thiện đáng kể kiểm soát đường huyết ở bệnh nhân tiểu đường type 2, đồng thời giúp giảm cân. Kể từ đó, nhiều chất chủ vận thụ thể GLP-1 khác ra đời, thay đổi hoàn toàn cách tiếp cận điều trị béo phì và tiểu đường trên toàn cầu.

Từ những bông hoa dẫn đến loại thuốc mới

Mới đây, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) phê duyệt thuốc fitusiran, điều trị hai dạng chính của bệnh hemophilia - một rối loạn đông máu có thể gây chảy máu nguy hiểm đến tính mạng. Fitusiran thuộc nhóm thuốc dựa trên cơ chế can thiệp RNA (RNA interference, RNAi), nền tảng của một ý tưởng hình thành từ hơn ba thập niên trước nhờ một quan sát tình cờ với hoa dạ yến thảo.

Năm 1990, Richard Jorgensen, tại Công ty DNA Plant Technology (Mỹ), tiến hành các thí nghiệm di truyền trên hoa dạ yến thảo nhằm tăng cường màu tím bằng cách bổ sung bản sao gen điều khiển sắc tố. Thật bất ngờ, hoa lại chuyển sang trắng – kết quả ngược hoàn toàn dự đoán. Cơ chế đằng sau hiện tượng này ban đầu vẫn là bí ẩn.

Qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học nhận thấy rằng các đoạn RNA nhỏ đôi sợi có thể phá hủy phân tử mRNA, ngăn cản tổng hợp protein tương ứng. Năm 1998, Andrew Fire và Craig Mello cùng cộng sự xác định cơ chế này và được trao giải Nobel Y học năm 2006. Khám phá RNAi đã mở ra một thế hệ thuốc hoàn toàn mới, sử dụng các đoạn RNA nhỏ để điều chỉnh biểu hiện gen, và từ đó dẫn đến những ứng dụng điều trị đột phá như fitusiran ngày nay.

Thiên thạch cổ giúp con người làm sạch môi trường

Trong những năm 1950, nhà địa hóa học Clair Patterson đối mặt với một thách thức bất ngờ: Ô nhiễm chì trong không khí tại California (Mỹ) làm khó khăn cho việc xác định tuổi đá dựa trên phóng xạ của uranium và thorium.

Để khắc phục, ông xây dựng một phòng thí nghiệm “sạch” với hệ thống lọc không khí tinh vi. Nhờ vậy, Patterson đo tuổi thiên thạch Canyon Diablo và một số thiên thạch khác với độ chính xác cao, xác định tuổi Trái đất khoảng 4,55 tỷ năm.

Sau khi giải được bài toán lịch sử này, ông tiếp tục nghiên cứu ô nhiễm chì. Cùng với Mitsunobu Tatsumoto, Patterson chứng minh chì từ xăng pha chì đã lan rộng ra các vùng biển xa xôi, và nồng độ chì trong không khí hiện đại cao hơn nhiều so với thế kỷ trước. Dù vấp phải tranh cãi với ngành công nghiệp xăng, các kết quả của ông cuối cùng dẫn tới việc cấm xăng pha chì ở nhiều nơi, ước tính đã cứu hàng triệu sinh mạng và mang lại lợi ích kinh tế to lớn.

Câu chuyện của Patterson minh chứng rằng nghiên cứu cơ bản, dù ban đầu có vẻ “viễn vông” hay thuần túy thực nghiệm, có thể mở đường cho những bước đột phá mang tính cách mạng.

Từ kỹ thuật pháp y ADN, MRI, màn hình tinh thể lỏng, công cụ chỉnh sửa gen CRISPR, thuốc giảm cân cảm hứng từ độc tố động vật, tới dược phẩm RNAi và cả chính sách bảo vệ sức khỏe cộng đồng nhờ phát hiện ô nhiễm chì, tất cả đều bắt nguồn từ những khám phá nền tảng, kiên trì và tỉ mỉ.