Osamu Shimomura: Người giải mã hiện tượng phát quang sinh học

Shimomura sinh ra tại thị trấn Fukuchiyama, Nhật Bản vào ngày 27/8/1928. Ông là con trai của một đại úy quân đội nên từ nhỏ ông đã thấm nhuần những nguyên tắc về danh dự và lòng dũng cảm của một samurai. Trong cuộc Chiến tranh Thái Bình Dương năm 1944, ông và các bạn học cùng trường được điều động đến làm việc trong một nhà máy sản xuất vũ khí ở Isahaya, cách Nagasaki khoảng 25km.

Vào ngày 9/8/1945, trong lúc Shimomura đang làm việc thì một tia sáng chói mắt xuất hiện, tiếp theo là một làn sóng áp lực lớn báo hiệu quả bom nguyên tử của Mỹ được thả xuống thành phố gần đó. Ông bước về nhà dưới cơn mưa đen ngòm. Sau đó ông từng kể lại rằng, hành động của người bà nhanh chóng đưa ông vào thẳng bồn tắm có thể đã cứu ông tránh khỏi ảnh hưởng của các chất phóng xạ gây hại.

Do không có bằng tốt nghiệp trung học phổ thông nên Shimomura gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm một suất học đại học. Cuối cùng, trường Đại học Dược Nagasaki đã nhận đơn đăng ký của ông vào năm 1948. Sau khi tốt nghiệp, ông đã làm việc trong trường bốn năm với tư cách là trợ giảng ở các lớp học thực hành. Cuối cùng, ông gia nhập phòng thí nghiệm của nhà hóa học hữu cơ Yoshimasa Hirata tại Đại học Nagoya (Nhật Bản), và niềm đam mê suốt đời của ông đối với hiện tượng phát quang sinh học bắt đầu từ đây.

Hirata yêu cầu Shimomura chiết xuất và tinh chế luciferin – một hợp chất giúp loài giáp xác biển nhỏ bé Cypridina có thể phát sáng trong bóng tối. Ban đầu, Hirata nghĩ rằng thí nghiệm quá khó khăn và nhiều khả năng sẽ không thành công nhưng vẫn muốn để Shimomura thử sức. Nguyên nhân là do luciferin rất không ổn định và phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí. Nhưng mọi thứ diễn ra thuận lợi và Shimomura đã tạo ra tinh thể luciferin tinh khiết chỉ trong mười tháng. “Tôi học được một điều rằng bất kỳ vấn đề khó khăn nào cũng có thể giải quyết bằng nỗ lực tuyệt vời”, Shimomura viết trong cuốn tiểu sử của mình.

Bài báo về quá trình điều chế luciferin đã giúp Shimomura trở nên nổi tiếng hơn. Ông nhận được lời mời tới làm việc tại phòng thí nghiệm phát quang sinh học của nhà sinh vật Frank Johnson ở Đại học Princeton, New Jersey (Mỹ). Ba tuần sau khi kết hôn với Akemi Okubo vào tháng 8/1960, Shimomura đã quyết định lên đường đến Mỹ.

Công việc đầu tiên của Shimomura tại đây là nghiên cứu sứa Aequorea – loài động vật có những vòng tròn phát ra ánh sáng màu xanh lam. Tháng 7/1961, Shimomura, Johnson cùng một số trợ lý và sinh viên đã thực hiện một chuyến đi khắp nước Mỹ để thu thập hàng trăm con sứa. Họ khéo léo cắt và thu thập những vòng tròn phát sáng của những con sứa, sau đó vận chuyển chúng đến Đại học Princeton để tiến hành phân tích.

Trước sự hoài nghi của Johnson và những người khác, Shimomura xác định rằng chất phát quang là một loại protein. Ông đặt tên cho nó là aequorin.

Shimomura cũng nhanh chóng nhận thấy nguyên tố canxi là tác nhân kích hoạt sự biểu hiện của protein aequorin. Sau này, aequorin trở thành một loại thuốc thử hữu ích, giúp nhận biết quá trình giải phóng canxi thông qua ánh sáng mà nó phát ra.

Shimomura, vợ của ông và các đồng nghiệp đã trải qua 19 mùa hè tại cảng Friday Harbour ở bang Washington để thu thập hàng trăm nghìn con sứa với hy vọng thu thập đủ nguyên liệu để chiết xuất, tinh chế và xác định cấu trúc hóa học của aequorin. Cho đến khi người ta tìm ra cách điều chế aequorin dựa vào kỹ thuật di truyền trong thập niên 1990, Shimomura đã hào phóng chia sẻ những thành quả nghiên cứu của mình với các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới.

Trong bài báo được công bố trên tạp chí The FEBS Journal vào tháng 8/1979, Shimomura đã mô tả khả năng phát sáng của GFP trong chuỗi protein một cách chi tiết. Sau đó, ông tiếp tục các nghiên cứu trên phạm vi rộng về đặc điểm cơ thể và hiện tượng phát quang sinh học ở nhiều sinh vật khác ngoài sứa. Trong đó có thể kể đến như mực đom đóm, sao biển giòn, cuốn chiếu, một số động vật nhuyễn thể và nấm phát sáng.

Năm 1994, nhóm nghiên cứu của Chalfie – người chia sẻ giải Nobel Hóa học năm 2008 cùng với Shimomura – đã thành công trong việc tạo ra vi khuẩn và giun đũa có khả năng biểu hiện protein GFP phát quang. Ngay sau đó, Tsien và các đồng nghiệp của ông đã thiết kế protein GFP có khả năng phát sáng các màu sắc khác nhau, bao gồm cả màu tím và màu đỏ.

Các nhà khoa học sau này đã mở rộng kỹ thuật di truyền để nghiên cứu protein GFP trên động vật có xương sống. Họ thậm chí tạo ra những con khỉ có khả năng phát sáng trong bóng tối. Bằng cách gắn GFP với các protein khác, giới khoa học có thể dễ dàng quan sát vị trí của các protein này bên trong tế bào, hoặc tìm kiếm các tế bào mà họ quan tâm trong một mẫu mô hoặc toàn bộ sinh vật dưới kính hiển vi.

Từ năm 1982 đến năm 2001, Shimomura công tác tại Phòng thí nghiệm Sinh học Biển Woods Hole ở bang Massachusetts. Sau khi nghỉ hưu, ông đã chuyển các dụng cụ thí nghiệm về nhà và tiếp tục tiến hành các nghiên cứu cùng với trợ lý Akemi. Năm 2006, Shimomura xuất bản cuốn sách “Bioluminescence: Chemical Principles and Methods” (Phát quang sinh học: Các Phương pháp và Nguyên lý Hóa học). Năm 2017, ông xuất bản một cuốn tự truyện với tựa đề “Luminous Pursuit: Jellyfish, GFP, and the Unforeseen Path to the Nobel Prize” (Theo đuổi hiện tượng phát quang: Sứa, GFP, và Con đường không lường trước đến giải Nobel).