Nghiên cứu “sự tiến hóa trong ống nghiệm” giành giải Nobel hóa học

Frances Arnold, Gregory Winter và George Smith đã kiểm soát sự tiến hóa trong phòng thí nghiệm để tạo ra những công nghệ xanh và các loại thuốc mới.

Ba nhà khoa học: Gregory Winter (trái), Frances Arnold và George Smith cùng chia nhau giải Nobel Hóa học. Nguồn: Nature

Nghiên cứu các cách để tăng tốc và kiểm soát sự tiến hóa của các protein để làm ra những công nghệ xanh hơn và các loại thuốc đã đem lại giải Nobel hóa học cho ba nhà khoa học.

Kỹ sư hóa học Frances Arnold tại Viện nghiên cứu Công nghệ California ở Pasadena, là người phụ nữ thứ hai giành giải thưởng này sau 50 năm. Bà nhận một nửa phần thưởng trong số 9 triệu krona Thụy Điển (tương đương 1 triệu USD). Phần còn lại được chia giữa Gregory Winter tại Phòng thí nghiệm sinh học phân tử MRC ở Cambridge, Anh, và George Smith tại trường đại học Missouri, Columbia.

Arnold đã có nhiều nghiên cứu mang tính tiên phong trong quá trình “tiến hóa có định hướng” các enzyme vào những năm 1990. Bà đã phát minh ra một phương pháp để gây đột biến các vi khuẩn sản xuất enzyme, sau đó sàng lọc và lựa chọn vi khuẩn này để gia tăng tốc độ và định hướng tiến hóa của enzyme. Các enzyme, protein xúc tác phản ứng hóa học này đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học để tổng hợp các loại thuốc.

“Sinh học có một quá trình là nguyên nhân dẫn đến tất cả sự phức tạp mà chúng ta thấy trong tự nhiên”, bà nói với Nature một cách ngắn gọn sau khi được thông báo nhận giải thưởng vào ngày 3/10. Nhưng dẫu cho tự nhiên vận hành điều đó một cách ngẫu nhiên thì các nhà khoa học vẫn biết những đặc tính hóa học mà họ muốn lấy nắm bắt từ một enzyme, và các kỹ thuật của bà giúp tăng tốc chọn lọc tự nhiên có định hướng. “Giống như sự nhân giống một con ngựa đua”.

Đột phá kháng thể 

Vào năm 1985, Smith đã tiên phong sáng tạo phương pháp hiển thị trên thể thực khuẩn (phage display). Kỹ thuật này dùng một thể thực khuẩn vi khuẩn – một virus lây nhiễm vi khuẩn – như một vật chủ hiển thị một protein trên lớp vỏ ngoài của chúng, cho phép các nhà nghiên cứu tìm được các phân tử khác tương tác với protein này. Winter đã nâng cấp kỹ thuật này và phát minh các phương pháp để phát triển các kháng thể đáp ứng điều trị cho con người. Ngày nay, các kháng thể được phát triển bằng phương pháp này có thể sử dụng để trung hòa độc tố và chống lại các loại bệnh tự miễn dịch.

Adalimumab (Humira) – kháng thể nhân tạo đầu tiên, được Cambridge Antibody Technology (công ty do Winter đồng sáng lập năm 1989) khám ra và được chấp thuận điều trị bệnh viêm khớp mãn tính năm 2002. Nó cũng được dùng để điều trị bệnh vẩy nến và các chứng viêm ruột. Năm 2017, đây là loại thuốc bán chạy bậc nhất thế giới, đem lại 18,4 tỷ USD.

Hồi đó, nhiều hoài nghi dấy lên khi công ty này được thành lập, David Chiswell – người đồng sáng lập công ty – cho biết, do đó họ đã rất khó khăn khi tìm các nhà đầu tư. “Đây là một trong những công ty công nghệ sinh học đầu tiên ở châu Âu. Đó là những thời điểm rất hồi hộp bởi chúng tôi không biết là chúng tôi đang làm những gì. Và không ai trên thế giới tin rằng các kháng thể tốt thực sự.”

Những thụ thể lạnh 

Arnold cũng phải đối mặt với một cuộc đấu tranh đầy khó khăn khi bà đưa ra ý tưởng protein tiến hóa trong phòng thí nghiệm, Dane Wittrup – một kỹ sư protein tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge cho biết. Tại thời điểm đó, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng họ có thể dùng máy tính và thiết kế các protein một cách hợp lý để tạo ra các chức năng đặc biệt của chúng. “Đấy là văn hóa phản đối trong thời gian đó”, ông nói. “Nhưng bây giờ, ở mức rộng hơn, định hướng tiến hóa là cách công việc được thực hiện.”

Nicholas Turner, một nhà hóa hữu cơ tại trường Manchester, Anh, đồng ý: “khá nhiều enzyme trong số các enzyme được dùng trong các ứng dụng trên quy mô thương mại đều được hình thành thông qua một số hình thức định hướng tiến hóa”, ông nhận xét. 

Winter cũng trả lời Nature Biotechnology, ông may mắn bởi PTN sinh học phân tử mà ông làm việc đã trao cho ông cơ hội toàn quyền hành động để công việc của ông không cần phải loay hoay phân biệt giữa khoa học ứng dụng và khoa học thuần túy. “Có thể có nhiều khó khăn để tôi làm ra được phát minh với ngân sách đầu tư truyền thống (công trình nghiên cứu của ông có thể được coi như quá nhiều phần ứng dụng) hoặc với kinh phí đầu tư của ngành công nghiệp (công trình của ông được xem là ở giai đoạn quá sớm, và nhiều công ty không quan tâm đến những kháng thể ở ngay từ đầu)”, ông nói.   

Winter cho biết, động lực khiến ông đưa kết quả nghiên cứu ra ngoài phạm vi phòng thí nghiệm và đưa vào thử nghiệm lâm sàng là từ một cuộc gặp gỡ sớm với một phụ nữ bị bệnh ung thư giai đoạn đầu – người đã nhận một phiên bản thử nghiệm một trong những kháng khể nhân tạo có khả năng chống lại một protein liên quan đến ung thư. Khi Winter cảnh báo bà là liệu pháp này có thể chưa hiệu quả, bà nói với ông là đừng quá lo lắng: bà chỉ cần sống thêm vài tháng nữa để có thể hỗ trợ người chồng cũng đang cận kề cái chết. “Tôi cảm thấy nghẹn thở vì điều đó,” Winter nói.

Trong cuộc họp báo giải thưởng, Claes Gustafsson – chủ tịch Ủy ban Nobel Hóa học 2018, lưu ý lợi ích vì con người từ công trình của các nhà nghiên cứu này: “Các nhà khoa học đoạt giải đã ứng dụng lý thuyết của Darwin trong ống nghiệm và sử dụng cách tiếp cận này để phát triển những loại hóa chất mới vì lợi ích to lớn nhất của loài người.”

Những nhà khoa học nữ đoạt giải Nobel. 

Trước Arnold, người phụ nữ đoạt giải Nobel Hóa học là Ada Yonath – một nhà tinh thể học tại Viện nghiên cứu Khoa học Weizmann ở Rehovot, Israel, giành giải năm 2009 cho nỗ lực vạch ra bản đồ cấu trúc của ribosome, bộ máy phân tử sinh các protein từ mã di truyền trong các tế bào. Trước bà, nhà khoa học nữ giành Nobel là nhà tinh thể học Dorothy Hodgkin vào năm 1964. Arnold là người phụ nữ thứ 5 giành Nobel trong lịch sử giải Nobel hóa học. Năm 2016, bà đã được trao giải Millennium Technology.

Arnold cho biết “choáng váng” khi nhận được cuộc gọi từ Stockholm vào lúc nửa đêm. “Tôi phải mất một phút để trấn tĩnh.” Bà nói, bà đã nhận ra ngay từ sớm các phương pháp của mình rất hiệu nghiệm. “Rõ ràng với tôi đó là cách làm đúng, nhưng phần còn lại của thế giới lại chưa nghĩ thế.”

Và những ứng dụng yêu thích của bà về tiến hóa có định hướng đã thành hiện thực. Một trong những giấc mơ của bà là tạo ra một enzyme có thể tác động vào carbon dioxide từ khí quyển và chuyển hóa nó thành vật liệu và nhiên liệu.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-06753-y