Donald Caspar: Giải mã cấu trúc virus

Virus thường bao gồm một chuỗi vật chất di truyền – DNA hoặc RNA – được bao bọc trong một lớp các phân tử protein. Bằng cách sử dụng quy luật nhiệt động lực học và tính đối xứng, Caspar đã lập danh mục những cách thức mà các protein có thể kết hợp với nhau để tạo thành lớp vỏ của virus hình cầu (bao gồm rhinovirus, poliovirus) và mạng lưới xoắn của virus hình que (chẳng hạn như Ebola) .

Vào giữa thế kỷ 20, giới khoa học có thể quan sát một số cấu trúc protein với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử. Caspar đã sử dụng các dữ liệu hạn chế từ phương pháp tinh thể học tia X, kính hiển vi điện tử và nhiễu xạ sợi để xác định đặc điểm của các virus nguyên mẫu. Với con mắt của một nghệ sĩ, sự tò mò không giới hạn và niềm đam mê nghiên cứu khoa học, ông đã tạo ra những bản phác thảo tinh tế về cấu trúc và màng của virus. Bản vẽ của ông xuất hiện trong nhiều tài liệu vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.

Caspar sinh ra tại Ithaca, New York (Mỹ) vào năm 1927. Năm Caspar 11 tuổi, một người bạn của gia đình – nhà tinh thể học Isidor Fankuchen – đã nói với ông về một phát hiện mới, đó là các hạt virus khảm thuốc lá hình que (TMV) có cấu trúc xoắn, bao gồm nhiều đơn vị giống nhau. Điều này đã thúc đẩy ông dấn thân vào một cuộc hành trình suốt đời để tìm hiểu cấu tạo và hành vi của loại virus này. Tại Học viện Bách khoa Brooklyn ở thành phố New York, ông là sinh viên trẻ nhất trong khóa học hai tuần về tinh thể học tia X do Fankuchen phụ trách.

Sau khi tốt nghiệp ngành vật lý tại Đại học Cornell, Caspar làm nghiên cứu sinh tiến sĩ về cấu trúc của virus khảm thuốc lá hình que tại Đại học Yale ở New Haven, Connecticut. Sau đó, ông thực hiện các nghiên cứu sau tiến sĩ (postdoc) tại Viện Công nghệ California ở Pasadena, và Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử MRC ở Cambridge, Vương quốc Anh.

Năm 1956, ông bắt đầu chứng minh lý thuyết của James Watson và Francis Crick, trong đó các hạt virus hình cầu có tính đối xứng theo dạng hình khối trong không gian ba chiều. Nói cách khác, lớp vỏ protein của virus cấu tạo từ các tiểu đơn vị giống hệt nhau và chúng cũng được sắp xếp theo những cách tương tự.

Caspar đã chứng minh rằng virus gây bệnh còi cọc ở cà chua (TBSV) có cấu trúc đối xứng theo hình khối 20 mặt. Sau đó, các nhà nghiên cứu phát hiện nhiều loại virus khác cũng sở hữu đặc điểm giống như vậy. Cấu trúc này là phức tạp nhất trong số các cấu trúc đối xứng của virus, bao gồm 60 tiểu đơn vị [trong lớp vỏ] giống nhau. Tuy nhiên, dữ liệu sinh hóa chỉ ra rằng nhiều virus còn có số lượng tiểu đơn vị nhiều hơn nữa.

Caspar đã giải quyết nghịch lý này vào cuối những năm 1950. Vào thời điểm đó, ông đang cộng tác với nhà nghiên cứu Aaron Klug tại Đại học Birkbeck ở London, và ông cũng lấy cảm hứng từ thiết kế mái vòm trắc địa (geodesic dome) của kiến trúc sư Buckminster Fuller.

Caspar phát hiện các tiểu đơn vị protein tương đồng có thể thay đổi một chút về mặt cấu trúc để đóng chặt lớp vỏ virus. Điều này mở ra vô số khả năng cho việc lắp ráp có kiểm soát và tháo rời các hệ thống phân tử bên trong virus cũng như một tế bào sống. Hai mươi năm sau, phòng thí nghiệm riêng của Caspar đã chứng minh các protein của virus cũng có thể chuyển đổi giữa các cấu trúc không tương đồng khi cần thiết. Công trình của ông đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các vectơ virus để thực hiện liệu pháp gene hiện nay.

Nghiên cứu của tiến sĩ Caspar về virus khảm thuốc lá hình que là cơ sở cho một bài báo nổi tiếng của Rosalind Franklin được xuất bản vào năm 1956. Bài báo đã xác định chính xác RNA của virus hình que nằm sâu trong chuỗi protein xoắn ốc ở lớp vỏ, cũng như đánh dấu sự khởi đầu của một tình bạn kéo dài giữa hai nhà khoa học cho đến khi Franklin qua đời hai năm sau đó. Vào năm 2008, mối quan hệ của họ đã được tái hiện lại trong vở kịch Photograph 51 của tác giả Anna Ziegler với những tình tiết vô cùng lãng mạn.

Năm 1958, Caspar thành lập Phòng thí nghiệm Sinh học Cấu trúc tại Bệnh viện Nhi đồng Boston, nơi sau này trở thành một trong những trung tâm có ảnh hưởng nhất đối với việc nghiên cứu cấu trúc đại phân tử. Phòng thí nghiệm được di dời tới Đại học Brandeis ở Waltham, Massachusetts, vào năm 1972. Năm 1994, Caspar chuyển đến Viện Lý sinh Phân tử tại Đại học Bang Florida ở Tallahassee, và ông làm việc tại đây trong suốt phần đời còn lại.

Điều thú vị trong con người của Caspar là khả năng nói tốt hơn nhiều so với khả năng viết lách. Do đó, ông thường phải chỉnh sửa các bản thảo khá nhiều lần. Các đồng nghiệp đánh giá khả năng nói chuyện của ông rất tuyệt vời. Mọi lời phát biểu của ông bằng cách nào đó là tiền đề cho những câu nói khác. Đối với các cộng sự, họ không bao giờ biết rõ khi nào Caspar thực sự hoàn thành công việc, do ông không ngừng nói chuyện về các nghiên cứu và thí nghiệm.

Niềm đam mê của Caspar bao gồm việc làm vườn và những chiếc bình Hy Lạp. Trong một lần đi dạo quanh khu vườn của Caspar ở Cataumet thuộc bang Massachusetts, một người bạn đã kể lại rằng ông đã giới thiệu đầy đủ tên gọi của mọi loài thực vật trong khu vườn, bao gồm cả họ, chi và tên thông thường. Ông cũng giải thích lý do tại sao lựa chọn từng loại giống cây cụ thể và màu sắc của chúng cho mỗi vị trí trong vườn. Khi đến các viện bảo tàng, ông không bao giờ rời đi mà chưa "ghé thăm" những chiếc bình.

Caspar đã kết hôn và chung sống 50 năm với người vợ là bà Gwladys Caspar, một chuyên gia về an toàn sinh học tại Đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts. Các hướng dẫn nhanh về mức độ an toàn sinh học từ cấp độ 1 – 4 của cô được giảng dạy rộng rãi trong các trường đại học cho đến ngày nay.

“Caspar là người rất thông minh, tốt bụng và luôn nhiệt tình với những ý tưởng mới – kể cả ý tưởng của riêng ông hoặc những người khác. Ông sẵn sàng ủng hộ các nhà khoa học trẻ cũng như các nhà khoa học nữ”, Lee Makowski, giáo sư tại Đại học Northeastern ở Boston, người từng làm việc với Caspar trong nhiều năm, cho biết.