Người khai sinh ra phương pháp xét nghiệm PCR

Nhà hóa sinh Kary Mullis cho biết trong lúc ông đang lái xe từ Vùng Vịnh (Bay Area) đến căn nhà gỗ nhỏ của mình ở Mendocino, California (Mỹ) vào năm 1983 thì đột nhiên ông nghĩ ra cách xác định chính xác một đoạn DNA cụ thể và tổng hợp một lượng lớn các bản sao từ nó.

“Kỹ thuật đơn giản này tạo ra bao nhiêu bản sao tùy thích đối với bất kỳ chuỗi DNA nào mà tôi lựa chọn, và mọi người trên Trái đất quan tâm đến DNA sẽ muốn sử dụng nó”, Mullis kể lại trong cuốn hồi ký với tựa đề Dancing Naked in the Mind Field được xuất bản vào năm 1998. “Công nghệ của tôi sẽ dần trở nên phổ biến trong mọi phòng thí nghiệm sinh học trên khắp thế giới”.

Mullis đã đoạt giải Nobel Hóa học vào năm 1993 vì đã phát minh ra phản ứng chuỗi polymerase (polymerase chain reaction), hay còn gọi là PCR. Ba ký tự viết tắt PCR gần đây đã trở nên quen thuộc với cộng đồng khi nó là cơ sở của các xét nghiệm nhằm phát hiện virus SARS-CoV-2. Nhưng đó chỉ là một trong những ứng dụng mới nhất của PCR. Kể từ khi PCR xuất hiện, các nhà hóa học đã sử dụng nó trong nhiều nhiệm vụ khác nhau – từ dự án giải mã bộ gene người cho đến việc phục hồi các rạn san hô.

“Nếu bạn đang tiến hành bất kỳ nghiên cứu nào liên quan đến DNA, nhiều khả năng bạn sẽ phải dùng đến phương pháp xét nghiệm PCR”, Eric Green, nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về Bộ gene Người (NHGRI), cho biết.

Trước khi có PCR, quá trình nghiên cứu DNA rất khó khăn. Vô số thông tin di truyền được lưu giữ trong các phân tử DNA và việc cô lập chính xác một đoạn gene nhỏ không hề đơn giản. Ngay cả khi các nhà khoa học có thể cô lập một số đoạn DNA cụ thể, số lượng vật liệu di truyền thường quá nhỏ để dùng cho các thí nghiệm.

Để giải quyết vấn đề trên, công nghệ tiên tiến nhất trong những năm 1980 là nhân bản DNA. Trong quá trình này, các nhà khoa học đưa trình tự di truyền mong muốn của họ vào bộ gene của vi khuẩn. Sau đó, vi khuẩn tự phân chia, sao chép cả bản thân chúng và mã di truyền được đưa vào. Đây là một quá trình hiệu quả nhưng tốn nhiều công sức, đó là lý do tại sao kỹ thuật PCR đơn giản hơn và nhanh hơn lại thành công như vậy.

Sau ngày cuối tuần định mệnh trong căn nhà gỗ của mình, Mullis trở lại làm việc tại Tập đoàn Cetus ở Emeryville, California – một trong những công ty công nghệ sinh học đầu tiên trên thế giới. Công việc chính của ông tại Cetus là tạo ra những dải vật liệu di truyền nhỏ để các nhà khoa học khác ở công ty sử dụng trong những thí nghiệm của họ. Vào thời điểm đó, các nhóm nghiên cứu tại Cetus đang tìm kiếm phương pháp mới để sao chép gene và biểu hiện các protein có thể dùng trong lĩnh vực y tế.

Mullis đã chia sẻ ý tưởng về PCR với đồng nghiệp. Quy trình thực hiên có thể tóm tắt như sau: đầu tiên là đun nóng một phân tử DNA để tách chuỗi xoắn kép thành hai sợi đơn và sử dụng mỗi sợi làm khuôn tạo bản sao, giống như cách DNA giải mã và sao chép chính nó bên trong tế bào. Bước tiếp theo là để mẫu nguội. Điều này thông thường sẽ làm cho hai sợi đơn DNA gắn kết với nhau và quay trở lại vị trí ban đầu. Nhưng Mullis có thể ngăn chặn quá trình này bằng các đoạn DNA ngắn [gọi là đoạn mồi] – về bản chất là các đoạn đoạn gene mà ông đang làm việc trong các dự án khác, có thể dễ dàng tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Những vị trí các đoạn mồi gắn vào sợi DNA được nhắm mục tiêu sau đó đóng vai trò như những “địa điểm hạ cánh” cho một loại enzyme đặc biệt gọi là DNA polymerase. Enzyme có nhiệm vụ gắn nucleotide – các khối xây dựng của DNA – vào những vị trí chính xác để tái tạo lại sợi DNA theo nguyên tắc bổ sung.

Nếu bạn bắt đầu chỉ với một phân tử DNA, bạn sẽ có hai bản sao của trình tự đích sau một chu kỳ PCR. Mỗi bản sao mới không bị ràng buộc để tạo thêm mẫu. Chỉ sau 30 chu kỳ, bạn sẽ có hơn một tỷ bản sao – tất cả đều từ một phân tử DNA.

Mullis là nổi tiếng người có những ý tưởng khá lập dị. Nhiều ý tưởng trong số đó thậm chí còn mắc những lỗi cơ bản về mặt sinh học. Vì vậy, các đồng nghiệp của ông ban đầu không nghĩ rằng phương pháp xét nghiệm PCR là khả thi hoặc không quan tâm. Nhưng Mullis vẫn tiếp tục mày mò với ý tưởng của mình, và một năm sau ông đã công bố một số dữ liệu thí nghiệm cho thấy phản ứng chuỗi polymerase thực sự hoạt động. Điều này đã thu hút sự chú ý của một số lãnh đạo trong công ty Cetus, đặc biệt là nhà hóa sinh Thomas White – người từng là bạn thân của Mullis khi học tại trường Đại học California, Berkeley (Mỹ).

Cuối năm 1984, công ty Cetus đã cử thêm các nhà khoa học thực nghiệm – bao gồm Stephen Scharf, Fred Faloona và Randall Saiki – nhằm hỗ trợ Mullis hoàn thiện kỹ thuật PCR. Cuối cùng, họ đã có đủ dữ liệu để tuyên bố PCR thành công. Kết quả nghiên cứu của Mullis được công bố lần đầu tiên trên tạp chí Methods in Enzymology vào năm 1987.

Không lâu sau, Mullis rời công ty Cetus do cảm thấy bị tổn thương khi ông không phải là tác giả thứ nhất (first author) trong bài báo đăng trên tạp chí khoa học uy tín Science. Trước khi ông rời đi, Cetus đã trả cho ông một vài tháng lương và 10.000USD tiền thưởng, số tiền lớn nhất mà công ty này từng tặng cho một nhà khoa học cho một phát minh. Cetus giữ bản quyền đối với công nghệ PCR, và từ đó trở đi đóng góp của Mullis cho sự phát triển của PCR chủ yếu là phổ biến nó thông qua các buổi nói chuyện hoặc tư vấn.

Đến cuối những năm 1980, PCR trở nên phổ biến trong cộng đồng khoa học. Các máy PCR với chu kỳ nhiệt tự động trở thành tiêu chuẩn trong các phòng thí nghiệm di truyền học trên toàn cầu. Năm 1991, Cetus đã bán bản quyền PCR cho hãng chăm sóc sức khỏe Roche với giá 300 triệu USD.

Kể từ đó, việc sử dụng PCR tăng lên theo cấp số nhân với những điều chỉnh cụ thể cho các ứng dụng khác nhau bao gồm: chẩn đoán y tế, pháp y, an toàn thực phẩm, phát triển cây trồng, thậm chí tìm kiếm nguồn gốc của loài người.