Frederick Sanger - Người phát triển kỹ thuật giải mã trình tự DNA

Frederick Sanger là một trong số ít các nhà khoa học trên thế giới hai lần đoạt giải Nobel, đặt ông ngang hàng với các tên tuổi lừng danh như Marie Curie, John Bardeen và Linus Pauling. Ông là người tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu protein và DNA, góp phần mở ra kỷ nguyên mới cho khoa học di truyền và y học hiện đại.

Sanger sinh ra tại Gloucestershire, Anh vào ngày 13/8/1918. Gia đình ông theo đạo Quaker, một tín ngưỡng đề cao hòa bình và sự giản dị. Điều này ảnh hưởng sâu sắc đến lối sống và tư duy của ông sau này.

Sau khi tốt nghiệp chuyên ngành hóa sinh tại Đại học Cambridge vào năm 1939, Sanger tiếp tục ở lại trường để nghiên cứu về lĩnh vực dinh dưỡng trong thời điểm xảy ra Cuộc chiến tranh Thế giới lần thứ hai. Nhờ sự hướng dẫn của Albert Neuberger, ông bắt đầu khám phá vai trò của lysine, một loại axit amin cần thiết cho cơ thể có trong khẩu phần ăn làm từ khoai tây. Công trình này không chỉ giúp ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ năm 1943 mà còn định hình con đường nghiên cứu khoa học sau này của ông – tập trung vào việc tìm hiểu các phân tử sinh học phức tạp.

Thành tựu nổi bật đầu tiên của Sanger là việc giải mã cấu trúc của hormone insulin, loại protein do tuyến tụy tiết ra chịu trách nhiệm điều hòa đường huyết trong cơ thể. Trước đó, giới khoa học tin rằng các axit amin trong protein được sắp xếp một cách ngẫu nhiên và không có trật tự. Sanger không chỉ bác bỏ quan điểm này mà còn chứng minh rằng insulin là một chuỗi axit amin có cấu trúc xác định và trình tự cụ thể.

Để đi đến kết luận trên, Sanger chia nhỏ protein insulin thành các đoạn peptide ngắn hơn [chứa một chuỗi các axit amin]. Ông dùng thuốc nhuộm để đánh dấu chúng. Dựa vào thành phần và trình tự axit amin của các đoạn peptide, ông đã suy ngược ra thứ tự đầy đủ của các axit amin trong protein nguyên vẹn, giống như việc tái tạo một bức tranh từ các mảnh ghép của trò chơi ghép hình. Phương pháp này là công cụ hữu ích để phân tích bất kỳ protein nào trong cơ thể.

Công trình nghiên cứu về insulin của Sanger không chỉ góp phần làm sáng tỏ cấu trúc của protein mà còn có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực y học. Nó mở đường cho việc sản xuất insulin tổng hợp, giúp điều trị bệnh tiểu đường cho hàng triệu người trên khắp thế giới. Thành tựu này mang về cho Sanger giải thưởng Nobel Hóa học đầu tiên vào năm 1958, khiến ông trở thành một trong những nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực sinh học phân tử.

Sau khi giải mã cấu trúc protein thành công, Sanger chuyển hướng nghiên cứu của mình sang DNA – phân tử mang mã di truyền của mọi sinh vật sống. Tại Phòng Thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Hội đồng Nghiên cứu Y học Anh (MRC), ông và các cộng sự đã phát triển thành công phương pháp giải mã trình tự DNA, sau này được biết đến với tên gọi “Phương pháp Sanger”.

Vào lúc đó, các nhà khoa học vẫn chưa có công cụ để “đọc” mã DNA một cách hiệu quả do cấu trúc của nó quá phức tạp. DNA là một chuỗi xoắn kép, cấu tạo từ bốn nucleotide cơ bản – adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C). Chúng sắp xếp theo một trình tự nhất định để mã hóa thông tin di truyền.

Sanger dùng enzyme để sao chép các đoạn DNA. Ông sử dụng các phân tử kết thúc chuỗi (chain terminators) để tạo ra những đoạn DNA ngắn có độ dài xác định. Khi được phân tách bằng phương pháp điện di trên gel và phân tích trên phim X-quang, các đoạn này tạo thành hình ảnh giống như “bậc thang”, thể hiện trình tự nucleotide của DNA. Phương pháp này được đánh giá cao vì tính chính xác và hiệu quả, nhanh chóng trở thành công cụ tiêu chuẩn trong lĩnh vực nghiên cứu di truyền.

Năm 1977, Sanger và các cộng sự giải mã thành công bộ gene của virus phiX174 chứa tổng cộng 5.386 nucleotide. Đây là lần đầu tiên bộ gene của một sinh vật được giải mã hoàn chỉnh, mở đường cho việc nghiên cứu các bộ gene phức tạp hơn.

Năm 1980, Sanger được trao giải Nobel Hóa học cùng với Walter Gilbert vì những đóng góp liên quan đến việc phát triển kỹ thuật giải mã trình tự DNA.

Không dừng lại ở đó, Sanger tiếp tục phân tích các bộ gene có kích thước ngày càng lớn, bao gồm DNA trong ty thể của tế bào người (16.569 nucleotide) vào năm 1981 và cuối cùng là thể thực khuẩn Lambda (48.502 nucleotide) vào năm 1982. Phương pháp Sanger không chỉ được áp dụng trong việc giải mã DNA mà còn có thể dùng để giải trình tự RNA, một phân tử đóng vai trò quan trọng trong việc truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến các protein.

Năm 1993, tổ chức Wellcome Trust và Hội đồng Nghiên cứu Y học Anh (MRC) đã sáng lập Trung tâm Sanger (hiện nay là Viện Wellcome Trust Sanger) gần Cambridge, nơi một phần đáng kể của bộ gene người được giải mã bằng kỹ thuật do Sanger phát triển.

Dự án Bộ Gene người hoàn thành vào năm 2003 đã giúp xác định bộ gene người có hơn 3 tỷ nucleotide. Đây là một thành tựu mang tính cách mạng, không chỉ thay đổi hiểu của chúng ta về cơ thể người mà còn mở ra những ứng dụng y học mới. Các nhà khoa học hiện tại có thể xác định biến thể gene gây bệnh, phát triển thuốc cá nhân hóa và tạo ra nhiều liệu pháp gene hiệu quả.

Vào những năm 2000, phương pháp Sanger dần nhường chỗ cho các kỹ thuật phân tích DNA mới nhanh hơn và rẻ hơn. Tuy nhiên, phương pháp Sanger vẫn là tiêu chuẩn vàng, được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu yêu cầu độ chính xác cao nhằm xác định biến thể gene liên quan đến ung thư và các bệnh di truyền hiếm gặp.

Trong những năm cuối sự nghiệp, các nhà khoa học trẻ thường tìm đến Sanger để xin lời khuyên. Ông luôn sẵn sàng chia sẻ kiến thức và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đặt câu hỏi đúng trong nghiên cứu, từ đó xác định các vấn đề một cách chính xác và tạo ra phương pháp hiệu quả để giải quyết chúng.

Ngoài các thành tựu khoa học, Sanger còn được biết đến với tính cách khiêm tốn và lối sống giản dị. Ông không thích danh hiệu hay sự chú ý. Sau khi nghỉ hưu vào năm 1983, ông từ chối nhận tước hiệu “Hiệp sĩ” vì không muốn bị gọi là “Ngài”. Thay vào đó, ông dành thời gian làm vườn, đóng thuyền và sống bình dị tại ngôi làng nhỏ Swaffham Bulbeck gần Cambridge. Với ông, hạnh phúc đơn giản là được làm việc trong phòng thí nghiệm và giải quyết những vấn đề khoa học phức tạp.

Sanger qua đời vào năm 2013, để lại một di sản khoa học đồ sộ. Phương pháp giải mã DNA mang tên ông đã thay đổi cách chúng ta hiểu về sự sống, mở ra những cơ hội lớn trong nghiên cứu y học và khoa học di truyền.

Nguồn: Nature, Nytimes, Theguardian