Từ con sứa phát sáng
Ngày 8 tháng 10, Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển công bố: giải Nobel Hóa học 2008 được trao cho ba nhà khoa học: Osamu Shimomura (Nhật), Martin Chalfie (Mỹ) và Roger Tsien (Mỹ) nhờ công trình nghiên cứu chất protein phát huỳnh quang màu xanh lá cây, viết tắt GFP (Green Fluorescent Protein).
Hội đồng xét giải nhận xét: công trình nghiên cứu của bộ ba nói trên “cho phép các nhà khoa học theo dõi nhiều quá trình sinh học khác nhau vào cùng thời điểm”; nghĩa là có thể dùng GFP để theo dõi sự tổn thương của tế bào thần kinh do tác động của bệnh Alzheimer hoặc quan sát cách hình thành các tế bào beta sản sinh insulin ở tuyến tụy của bào thai đang phát triển.
Công lao của các nhà nghiên cứu sứa phát sáng
 |
| Osamu Shimomura (1928) -GS ĐH Columbia ở New York. |
 |
|
Osamu Shimomura sinh ra ở Tokyo, lớn lên tại Nagasaki, nơi ngày 9-8-1945 bị Mỹ ném bom nguyên tử, khiến ông bị mù mấy tuần liền. Shimomura tốt nghiệp khoa dược ĐH Y Nagasaki, năm 1960 nhận bằng tiến sĩ hóa hữu cơ ĐH Nagoya. Ông bắt đầu nghiên cứu sinh vật phát sáng từ năm 1955 khi làm nghiên cứu sinh, được thầy giao nhiệm vụ nghiên cứu chất luciferin. Sau khi thầy qua đời, năm 1960 Shimomura sang Mỹ, đến phòng thí nghiệm Johnson ở ĐH Princeton nghiên cứu tiếp. Năm 1963-1965 ông về Nhật làm phó giáo sư ĐH Nagoya; sau đấy lại sang Princeton và hoàn thành các thí nghiệm chủ yếu vào năm 1974. Vì nghĩ rằng sau khi Johnson nghỉ hưu thì mình sẽ khó có thể ở lại ĐH Princeton nên năm 1980 Shimomura chuyển đến làm việc tại Viện Nghiên cứu sinh vật biển Woods Hole và nhận chức giáo sư kiêm nhiệm của ĐH Boston cho tới khi nghỉ hưu (2001). Hiện ông vẫn tiếp tục nghiên cứu, biến tầng hầm nhà mình thành phòng thí nghiệm. |
 |
|
Roger Tsien (tên chữ Hán Tiền Vĩnh Kiện) xuất thân trong một gia tộc người Mỹ gốc Hoa có truyền thống làm KHKT. Tsien từ nhỏ đã tỏ ra có tư chất thông minh và yêu khoa học; hồi học cấp III từng được tặng giải nhất cuộc thi Thiên tài Khoa học Westinghouse, do đó được nhận học bổng toàn phần tại ĐH Harvard; 20 tuổi tốt nghiệp ĐH này; năm 1977 nhận bằng tiến sĩ sinh học ĐH Cambridge (Anh). |
Trong thiên nhiên có không ít sinh vật tự phát sáng, thường thấy nhất là con đom đóm. Rừng nhiệt đới ban đêm nhìn đâu cũng thấy lập lòe những nguồn sáng từ lá mục và côn trùng. Người Việt Nam rất sợ con giời leo, chỗ da thịt nào bị nó chạm vào thì rát hơn phải bỏng … Cơ chế phát sáng của các sinh vật đó đã được khoa học giải thích từ lâu, chẳng có gì ghê gớm. Nhưng sứa phát sáng thì khác. Năm 1955, Davenport và Nicol đã phát hiện loài sứa này nhưng không rõ nguyên nhân. Từ thập niên 60, một số nhà khoa học lao vào nghiên cứu sứa phát sáng. Sau gần nửa thế kỷ, kết quả lao động của họ được tặng giải Nobel danh giá.
Công lao to lớn của các nhà khoa học là ở chỗ họ khám phá ra chất protein tự phát sáng (chứ không phải sinh vật) và qua đó thực hiện một cuộc cách mạng trong nghiên cứu sinh học. Protein phát sáng có thể dùng để rọi ánh sáng vào các mô, các protein khác của sinh vật đang còn sống, cũng như để đánh dấu các protein cần theo dõi trong nghiên cứu sinh học, và để làm nhiều chuyện khác nữa. Trước đây khi làm việc đó, người ta buộc phải giết chết sinh vật cần nghiên cứu, lấy ra các mô, rọi ánh sáng (ánh mặt trời hoặc ánh đèn) vào đấy thì mới quan sát được. Nhưng quan sát một cơ thể sống với một cơ thể đã chết thì kết quả khác nhau xa. Đây chính là lý do người ta nói chất GFP đã “cải tử hoàn sinh” cho công tác nghiên cứu sinh học.
Từ lâu các phòng thí nghiệm sinh học đã dùng rộng rãi chất protein huỳnh quang màu lục GFP. Nhưng nếu không có giải Nobel Hóa học 2008 thì ít người biết đây là kết quả lao động của rất nhiều người trong ngót nửa thế kỷ.
Kết quả nghiên cứu lâu dài, thầm lặng của nhiều người
Trước hết cần khẳng định công lao của những người đầu tiên khám phá GFP. Đó là cố khoa học gia Mỹ Frank H. Johnson và nhà khoa học Nhật Osamu Shimomura. Rất tiếc là Johnson qua đời từ năm 1990 (82 tuổi), mà giải Nobel lại chỉ tặng cho người sống.
Johnson nhận bằng tiến sĩ ĐH Princeton năm 1936, sau đó làm việc ở trường này cho đến khi về hưu (1977). Ông là người đầu tiên quan tâm tới vấn đề sứa phát sáng. Năm 1960, ông phân lập được chất luciferin. Cũng năm ấy, khi Shimomura tới thăm phòng thí nghiệm Johnson ở ĐH Princeton, chính ông đã cho vị khách Nhật này xem sứa phát sáng. Ngạc nhiên trước ánh sáng màu sắc kỳ diệu bên trong con vật trong suốt ấy, Shimomura lập tức đồng ý hợp tác với Johnson nghiên cứu sứa. Lúc ấy Shimomura hoàn toàn xuất phát từ tính hiếu kỳ chứ chưa rõ mục đích và tác dụng của đề tài mình sẽ làm. Năm sau, Johnson lái xe đưa Shimomura đi hết chiều ngang nước Mỹ trong 7 ngày liền, mỗi ngày ngồi xe 12 tiếng đồng hồ ! Cuối cùng họ đến Phòng Thí nghiệm Friday Harbor ở bang Washington vùng bờ biển phía Tây. Nơi này có rất nhiều sứa có thể dùng vào nghiên cứu; nhờ nguồn nguyên liệu phong phú ấy, công việc của hai ông tiến triển mạnh.
Trong thời gian 1961-1974, từ hàng chục nghìn con sứa có tên khoa học Aequorea victoria, Johnson và Shimomura phát hiện ra chất aequorin và chất protein phát ánh sáng màu lục(sau này gọi là GFP). Trong bài báo đăng trên Tạp chí tế bào và sinh lý học so sánh năm 19621, họ thông báo đã phân lập thuần hóa được chất aequorin protein phát quang trong con sứa. Hai ông còn viết là một chất protein dưới ánh mặt trời thì có ánh sáng màu lục, dưới tia cực tím thì ánh sáng màu lục rất mạnh. Hồi ấy họ chưa hề nghĩ rằng những phát hiện ấy lại có thể dẫn tới một cuộc cách mạng trong sinh học.
Phát hiện ấy cũng là chuyện tình cờ. Một hôm đang làm thí nghiệm lấy chất protein phát quang từ sứa thì hết giờ làm việc, Shimomura trút các sản phẩm đã làm vào bể nước, lúc tắt đèn ra về quay đầu lại nhìn thì thấy bể nước phát ra ánh sáng. Sau đấy qua nghiên cứu ông xác định được là ion cali đã tăng cường sự phát sáng của aequorin. Năm 1963, Johnson và Shimomura viết trên tạp chí Science cho biết về mối quan hệ giữa cali với sự phát sáng của aequorin. Năm 1967, Ridgway và Ashley đưa ra phương pháp mới: dùng aequorin để kiểm trắc cali. Ion cali là phân tử tín hiệu quan trọng trong cơ thể sinh vật; aequorin trở thành phương pháp kiểm trắc cali.
Mới đầu Johnson và Shimomura chỉ chú ý lấy được sản phẩm chính là chất aequorin, mà coi GFP là sản phẩm phụ. Từ 1994 trở đi GFP được ứng dụng rộng rãi hơn aequorin. Prasher ra sức tuyên truyền ý tưởng dùng GFP để đánh dấu protein, trong khi Shimomura là người phát hiện GFP thì lại không có ý tưởng ấy.
Tiếp đó, Morin và Hastings đề xuất: giữa aequorin với GFP có thể xảy ra sự chuyển dịch năng lượng; aequorin khi được cali kích thích sẽ phát sáng, năng lượng của nó có thể chuyển dịch đến GFP kích thích GFP phát sáng – đây là phát hiện năng lượng cộng hưởng của huỳnh quang trong sinh vật.
Sau khi Johnson nghỉ hưu, năm 1980 Shimomura rời Princeton đến Phòng thí nghiệm sinh vật biển Woods Hole làm việc. Một đồng nghiệp là Douglas Prasher rất chú ý tới việc dùng protein huỳnh quang để làm phân tử đánh dấu sinh vật. Năm 1985, Prasher và Satoshi Inouye (người Mỹ gốc Nhật) riêng rẽ tìm ra gene của chất aequorin, gọi chính xác là cDNA. Năm 1992, Prasher tìm được gene của GFP, nhưng sau khi công bố kết quả thì ông bất ngờ ngừng nghiên cứu khoa học. Lý do là khi ông xin kinh phí của Quỹ Khoa học Nhà nước Mỹ, người thẩm xét nói là chưa từng có tiền lệ protein phát sáng và nếu có tìm ra protein ấy thì cũng không có giá trị gì. Prasher nổi cáu và xin chuyển công tác.
Mặc dù năm 1988 mới bắt đầu nghiên cứu GFP, nhưng đầu thập niên 1990 Martin Chalfie đã phát hiện ra một loại gene tế bào quyết định sự hình thành protein phát quang màu lục ở con sứa, rồi lại thành công trong việc cấy ghép tế bào GFP vào cơ thể sống bằng cách làm biến đổi gene tế bào. Đây là một đột phá trong nghiên cứu GFP được giới khoa học rất chú ý; nhiều nhà sinh học đưa GFP vào dự án nghiên cứu của mình.
Năm 1994, Chalfie và Inouye cùng Tsuji (người Mỹ gốc Nhật) riêng rẽ nghiên cứu dùng GFP thể hiện trên các sinh vật khác. Chất aequorin và GFP đều có ứng dụng quan trọng tuy nguyên lý khác nhau; GFP là chất protein phát sáng còn aequorin vẫn là một loại luciferase, phải có chất luciferin thì nó mới phát sáng được.
Roger Y. Tsien bắt đầu nghiên cứu GFP từ 1994, ông đã tăng được cường độ phát sáng của GFP, làm cho ánh sáng của nó có nhiều màu vàng, lam, có loại có thể kích hoạt, đổi màu. Phần lớn GFP hiện nay thế giới sử dụng là các biến thể GFP do Tsien cải tạo. Các sáng chế của ông được nhiều người sử dụng, các công ty tiêu thụ. Ngay từ thập niên 80 nhiều người đã để ý tới Tsien, sau khi ông phát minh ra phân tử chất nhuộm màu dùng để kiểm trắc nồng độ ion cali, sau đó lại cải tiến phương pháp đưa chất nhuộm này vào tế bào; tiện hơn phương pháp dùng aequorin để kiểm trắc (vì phải tiêm aequorin vào tế bào). Ông là một trong những nhà khoa học được mời đi các nơi báo cáo nhiều nhất. Trong các báo cáo, Tsien đều khẳng định cống hiến của Shimomura và sớm công khai giới thiệu phát hiện của Shimomura.
Hiện nay người ta phổ biến dùng GFP để đánh dấu các protein cần theo dõi khác, qua đó quan sát được sự biến đổi của các protein ấy theo thời gian và không gian. Dùng GFP sẽ có thể quan sát được một số phân tử trong tế bào sống, thậm chí sinh vật sống. Công nghệ GFP còn dùng để nghiên cứu hoạt tính của một số phân tử. Công nghệ GFP chủ yếu dựa vào công nghệ tạo hình ảnh; nhờ GFP, người ta chụp được những ảnh có độ nét rất cao., màu sắc cực đẹp.
Một số người khác cũng dùng các sinh vật để tìm protein có màu, song rất ít phát hiện có giá trị sử dụng. Một thí dụ thành công là Sergey A. Lukyanov của Viện nghiên cứu hóa hữu cơ sinh học thuộc Viện Khoa học Nga phát hiện được các chất protein huỳnh quang (FP) từ san hô, kể cả FP màu đỏ.
Tóm lại trong thời gian 1961-1974, Johnson và Shimomura dẫn đầu các nghiên cứu về chất GFP song rất ít người để ý tới. Mặc dù một số tạp chí sinh học kỳ nào cũng có bài viết về GFP, thậm chí chiếm tới 20% số bài, nhưng hầu như chẳng ai biết Shimomura là người phát hiện ra GFP. Năm 1990 khi Frank H. Johnson qua đời ở tuổi 82, báo New York Times khi đưa tin ấy cũng không nhắc gì tới GFP.
—————–
Ghi chú: 1- Shimomura O, Johnson FH, Saiga Y (1962). Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea. J. Cell. Comp. Physiol. 59:223-239. 2 – Shimomura O, Johnson FH, Saiga Y. (1963). Microdetermination of calcium by aequorin luminescence. Science 140:1339-1340. 3- Chalfie M, Tu Y, Euskirchen G, Ward WW, Prasher DC. (1994). Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science 263:802-805.
