Stanley Falkow: Người tìm ra cơ chế gây bệnh của vi khuẩn

Stanley Falkow sinh ra trong một gia đình gốc Do Thái ở Albany, New York, Mỹ vào ngày 24/1/1934. Ngay từ nhỏ, ông đã rất thích đọc sách, đặc biệt là những cuốn sách liên quan đến khoa học. Năm 11 tuổi, ông tìm thấy trong thư viện địa phương cuốn sách “Thợ săn vi khuẩn” của tác giả Paul de Kruif. Cuốn sách được viết cho khán giả phổ thông vào năm 1926. Nó mô tả tính cách và cuộc phiêu lưu của một số nhân vật quan trọng nhất trong ngành vi sinh vật học. Falkow đọc ngấu nghiến nó và quyết định trở thành một thợ săn vi khuẩn.

Vào những năm 1670, Antonie van Leeuwenhoek là người đầu tiên chế tạo các thấu kính thủy tinh chất lượng cao và mạnh đến mức có thể nhìn thấy các sinh vật cực nhỏ. Khi Falkow đọc được điều này, ông nghĩ rằng mình cũng phải sở hữu một chiếc kính hiển vi. Ông đã tìm thấy một chiếc kính trong cửa hàng đồ chơi ở địa phương. Mặc dù không có đủ tiền, nhưng chủ cửa hàng đã rất hào phóng và tặng nó cho ông. Nhờ đó, ông có thể quan sát các vi khuẩn phát triển trong cốc sữa hỏng mà ông để dưới gầm giường.

Tình yêu với kính hiển vi của Falkow được thể hiện trong suốt sự nghiệp của ông, cũng như trong quá trình ông bảo vệ luận án tiến sĩ tại Đại học Brown ở Providence, Rhode Island.

Falkow bắt đầu sự nghiệp của mình vào cuối những năm 1950, khi DNA lần đầu tiên được công nhận là đơn vị cơ bản của sự sống, quy định mọi hoạt động sinh trưởng, phát triển và sinh sản của sinh vật. Thêm vào đó, các nhà khoa học cho rằng vi khuẩn là những sinh vật phù hợp để nghiên cứu thêm về DNA.

Đến thập niên 1960, Falkow đã tìm ra cách tách chiết và phân lập những phân tử DNA mạch kép dạng vòng nằm ngoài nhiễm sắc thể của vi khuẩn, thứ mà ngày nay chúng ta gọi là plasmid. Thông qua kính hiển vi điện tử, ông phát hiện các vi khuẩn có thể chuyển plasmid cho nhau thông qua một quá trình gọi là tiếp hợp. Thông thường, các plasmid cung cấp cho vi khuẩn những lợi thế di truyền, giúp chúng tồn tại trên một nguồn thức ăn mới hoặc trở nên kháng thuốc kháng sinh.

Vì vậy, Falkow đã đưa ra nhận định đáng lo ngại rằng ngay cả vi khuẩn vô hại cũng có thể đóng vai trò là nguồn gene kháng thuốc cho các mầm bệnh. Ông hiểu được ý nghĩa sức khỏe cộng đồng của điều này, đồng thời dự đoán sự gia tăng của vi khuẩn đa kháng thuốc và vận động chống lại việc lạm dụng thuốc kháng sinh. Ông được trao Giải thưởng Thành tựu Đặc biệt Lasker – Koshland năm 2008 trong lĩnh vực Khoa học Y tế về những khám phá liên quan đến bản chất phân tử của hiện tượng vi khuẩn kháng kháng sinh.

Các câu hỏi định hình sự nghiệp của Falkow bao gồm: mầm bệnh là gì? Điều gì khiến một số vi khuẩn gây bệnh, trong khi những vi khuẩn khác vô hại hoặc thậm chí có lợi? Ông xây dựng giả thuyết cho rằng vi khuẩn có các gene mã hóa những “yếu tố độc lực” chuyên biệt – tương tự như móng vuốt, nanh, chất độc, lông và ngụy trang ở cấp độ phân tử – tạo điều kiện cho vi khuẩn gây bệnh tấn công, ẩn náu và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt. Ông đã dành cả cuộc đời của mình để xác định các gene và phân tử đằng sau những khả năng này.

Ví dụ, ông phát hiện một số vi khuẩn trang trí bề mặt của chúng bằng các phân tử được thiết kế để bám vào tế bào vật chủ, và thậm chí đánh lừa vật chủ để xâm nhập vào bên trong tế bào. Một số vi khuẩn khác sở hữu kim phân tử (molecular needles) có khả năng ngăn cản sự tấn công của các tế bào bạch cầu. Cụ thể, vi khuẩn sẽ tiêm một loại protein đặc biệt vào bên trong tế bào bạch cầu thông qua kim phân tử để ngăn chặn tế bào bạch cầu di chuyển, hoặc ngăn chúng phát ra tín hiệu báo động cho hệ miễn dịch.

Vào những năm 1980, Falkow trở thành chủ nhiệm khoa vi sinh và miễn dịch học tại Trường Y thuộc Đại học Stanford ở California. Ông đã chụp được những bức ảnh đầu tiên cho thấy quá trình xâm nhập vào ruột của vi khuẩn Yersinia và Salmonella. Ông phát triển các phương pháp đa dạng để vẽ, gắn thẻ phân tử bên trong vi khuẩn và tế bào vật chủ nhằm theo dõi số phận của chúng trong quá trình lây nhiễm, thậm chí tìm các gene đặc biệt mà vi khuẩn chỉ “bật” khi ở bên trong tế bào.

Nhà khoa học người Đức Robert Koch đã thiết lập các hướng dẫn vào những năm 1880 để xác định khi nào vi khuẩn là nguyên nhân gây ra nhiễm trùng. Cộng đồng khoa học gọi chúng là “nguyên tắc Kock”. Falkow mở rộng ý tưởng này trong thập niên 1980 và phát triển “nguyên tắc Koch phân tử”. Theo đó, các nhà khoa học có thể xác định độc lực của vi khuẩn ở cấp độ phân tử - ví dụ như bằng cách bất hoạt các gene cụ thể để làm cho một vi khuẩn trở nên vô hại, hoặc chuyển một gene làm tăng độ bám dính hoặc khả năng xâm nhập vào một vi khuẩn vô hại để cải thiện khả năng tương tác với các tế bào chủ.

Phòng thí nghiệm của Falkow đã làm sáng tỏ cơ chế gây bệnh của nhiều loại vi khuẩn (thậm chí cả nấm men), bao gồm các tác nhân gây bệnh đường ruột chính như Salmonella, Escherichia coli, các vi khuẩn gây nhiễm trùng da, đường tiết niệu, ho gà, viêm phổi, nhiễm trùng huyết và bệnh lây truyền qua đường tình dục.

Theo thời gian, Falkow ngày càng quan tâm nhiều hơn về các thuộc tính có lợi tiềm ẩn của vi khuẩn sống trên cơ thể chúng ta. Ông cũng dự định tiến hành những nghiên cứu mới về hệ vi sinh vật của con người.

Falkow thường nói rằng thành tựu lớn nhất của ông là việc đào tạo ra những học trò xuất sắc. Ông đã truyền cho họ niềm say mê và hứng thú, cũng như sự tò mò trong nghiên cứu – giống như cảm giác lần đầu tiên ông nhìn vào kính hiển vi. Hơn 120 nhà khoa học, bao gồm một số nhà vi sinh vật học nổi tiếng nhất hiện nay, đã được đào tạo trong phòng thí nghiệm của ông.

Đối với những người quan tâm đến các công cụ để “chinh phục” thế giới vi sinh vật, nghiên cứu của Falkow đã cung cấp khung kỹ thuật để xác định các mầm bệnh, theo dõi sự tiến hóa của mầm bệnh thông qua dịch tễ học phân tử, cũng như là tiền đề để phát triển các loại vaccine giúp phòng ngừa những căn bệnh nguy hiểm.

Theo Nature