Nadrian Seeman: Người sáng lập công nghệ nano DNA

Nadrian (Ned) Seeman là người đầu tiên nhận ra có thể dùng DNA để thiết kế và xây dựng các cấu trúc và máy móc nano có thể lập trình được. Với cách suy nghĩ mới về khả năng tự lắp ráp của DNA, ông đã biến hóa học thành một ngành khoa học thông tin với nhiều ứng dụng hữu ích.

Seeman sinh ra tại Chicago, bang Illinois (Mỹ) vào năm 1945. Người khơi dậy niềm đam mê khoa học của ông là một giáo viên dạy môn sinh học tại trường trung học. Trong thời gian theo học chuyên ngành hóa sinh tại Đại học Chicago, ông vui mừng phát hiện các giáo sư tại đây luôn triển khai các nghiên cứu mới thay vì chỉ đơn thuần là giảng dạy. “Tôi không biết rằng mình có thể dành phần lớn thời gian trong ngày để vui vẻ bằng việc tham gia các nghiên cứu và cũng được trả tiền để thực hiện nó”, Seeman viết trong một cuốn tự truyện về việc nhận Giải thưởng Kavli về khoa học nano năm 2010.

Mặc dù tự nhận mình không phải là một sinh viên siêng năng, Seeman vẫn ở lại Đại học Chicago để hoàn thành chương trình tiến sĩ về hóa sinh, trước khi chuyển sang ngành tinh thể học tại Đại học Pittsburgh ở Pennsylvania. Trong thời gian nghiên cứu sau tiến sĩ, ông đã làm việc với Alexander Rich – một nhà nghiên cứu tiên phong về thành phần hóa học của DNA – tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge. Sau đó, ông gia nhập khoa sinh học của trường Đại học Công lập State bang New York (SUNY) tại Albany vào năm 1977.

Mặc dù vẫn là một nhà tinh thể học nhưng Seeman đã chuyển trọng tâm nghiên cứu sang một hướng mới khi ở Albany. Theo yêu cầu của một đồng nghiệp vào năm 1978, Seeman đã sử dụng DNA tổng hợp để xây dựng mô hình điểm nối Holliday – sự giao nhau của bốn sợi DNA mạch kép. Đó là điểm khởi đầu của lĩnh vực công nghệ nano DNA, khai thác các đặc tính của liên kết axit nucleic dựa trên quy tắc ghép cặp bazơ chặt chẽ của chúng để tạo ra những hình dạng có thể không xuất hiện trong tự nhiên.

Seeman bắt đầu suy nghĩ về việc liệu có thể tạo ra các mối nối phân nhánh phức tạp hơn hay không, và một ý tưởng đến với ông vào năm 1980.

“Một ngày nọ, tôi đi đến quán rượu để suy nghĩ về những điểm giao nhau sáu nhánh có thể trông như thế nào. Tôi chợt nhận ra rằng chúng sẽ giống như con cá chuồn trong bức tranh khắc gỗ mang tên Depth của M.C.Escher, một nghệ sĩ người Hà Lan. Cá có đầu và đuôi, vây trên và vây dưới, vây trái và phải. Chúng được sắp xếp giống như các phân tử trong một tinh thể”, Seeman chia sẻ với tờ The Scientist trong một buổi phỏng vấn vào năm 2011.

Kiểu thiết kế này cho phép Seeman tạo ra các cấu trúc tinh thể từ những phân tử nổi tiếng là khó nắm bắt thông qua phương pháp tinh thể học tia X. Ông đã tự tổng hợp các sợi DNA và cuối cùng tìm ra cách làm cho chúng tự lắp ráp thông qua sự tương tác ở các đầu mút. Nếu các đầu này là những đoạn DNA sợi đơn ngắn, thì chúng sẽ dính vào các trình tự DNA bổ sung khác.

“Tôi đang khai thác một khía cạnh mới của DNA trong lĩnh vực sinh học mà chưa ai từng đề cập đến”, Seeman nói.

Năm 1988, Seeman chuyển sang công tác ở khoa hóa học tại Đại học New York, nơi ông làm việc cho đến khi qua đời. Một sự kiện đáng chú ý đã xảy ra vào năm 1991 khi ông và sinh viên tốt nghiệp Junghuei Chen tổng hợp thành công một phân tử DNA có hình dạng giống như các cạnh của một khối lập phương. Họ đã sử dụng các điểm nối Holliday ba nhánh làm đỉnh của khối lập phương này.

Báo cáo kết quả nghiên cứu của Seeman đã khiến cộng đồng khoa học khá tò mò. Nhưng ông đã tiếp tục tạo ra các kiến ​​trúc DNA ngày càng phức tạp hơn. Cộng tác với Erik Winfree tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena và những người khác, ông bắt đầu nghĩ về việc lắp ráp DNA theo thuật toán, tức là lập trình các trình tự của DNA để chúng liên kết với nhau theo các quy tắc tương tác cụ thể. Sau khi chế tạo thành công mảng DNA 2D vào năm 1998, họ đã tạo ra các “gạch” DNA tự lắp ráp thành một bức tranh khảm được kết nối theo một thuật toán.

Không lâu sau đó, Seeman đã chế tạo thành công các ống nano, khối đa diện, mạng hai và ba chiều, và nhiều cấu trúc khác bằng cách sử dụng sợi DNA.

Seeman tỏ ra vui mừng khi công nghệ nano DNA bắt đầu thành công và hàng chục phòng thí nghiệm khác trên thế giới cũng tham gia vào lĩnh vực này vào cuối thập niên 1990. Đây là nền tảng cho sự ra đời của robot nano và các máy móc có kích thước siêu nhỏ. Các cấu trúc nano DNA có thể đóng vai trò như một giá đỡ, tham gia phân phối thuốc hoặc ứng dụng trong công nghệ mô (tissue engineering).

“Chúng tôi không cần phải tự mình nghĩ ra tất cả các ý tưởng nữa, và chúng tôi không cần phải mắc tất cả những sai lầm”, Seeman cho biết.

Sau này, Paul Rothemund, một nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California, đã phát triển cách tiếp cận có thể lập trình để tạo ra “DNA origami” – gấp DNA ở kích thước nano để tạo ra các hình dạng hai và ba chiều tùy ý. Seeman và một số nhà nghiên cứu khác đã làm cho quá trình lắp ráp có thể đảo ngược bằng cách sử dụng các sợi đơn DNA ngắn có thể giải nén, cho phép các cấu trúc nano DNA trở nên linh động hơn.

Seeman được trao nhiều giải thưởng danh giá trong suốt sự nghiệp, bao gồm Giải thưởng Feynman năm 1995 về Công nghệ nano, Huân chương Nichols của Hiệp hội Hóa học Mỹ năm 2008, Giải thưởng Kavli về Khoa học nano năm 2010 “vì đã phát triển các phương pháp chưa từng có để kiểm soát vật chất ở cấp độ nano”, và Huy chương Benjamin Franklin năm 2016 từ Viện Franklin. Năm 2017, ông được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Mỹ. Ông cũng là thành viên của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia và Hiệp hội Vì sự Tiến bộ của Khoa học Mỹ.

“Seeman đã sáng tạo ra một lĩnh vực nghiên cứu mới vô cùng độc đáo với nhiều tiềm năng ứng dụng. Công nghệ nano DNA đang ngày càng phát triển kể từ những ý tưởng ban đầu của ông”, Paul Rothemund, nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California, nhận định.