Franklin Stahl: Hành trình khám phá cách DNA sao chép

Trong mô hình của Crick và Watson, các sợi DNA kết nối với nhau giống như hai viền của dây khóa kéo, các phân tử đan xen vào nhau và chạy dọc mặt trong của chuỗi xoắn kép giống như răng cưa của khóa kéo. Trong lĩnh vực di truyền học, những phân tử này gọi là “bazo”. Chúng tạo thành mã di truyền, cho phép tất cả sinh vật truyền lại thông tin di truyền.

Khi Watson và Crick công bố cấu trúc của DNA vào tháng 4/1952 trên tạp chí Nature, họ tuyên bố rằng sự ghép cặp của các bazo DNA “gợi ý về một cơ chế sao chế khả thi đối với vật chất di truyền”.

Giả thuyết của họ là hai sợi sẽ tách ra, tháo xoắn kép và để lộ các bazo. Những sợi “gốc” sau đó sẽ nhân bản bên trong tế bào, tạo thành hai sợi “con”. Khi tế bào chứa chúng phân chia, mỗi tế bào mới sẽ nhận một bộ sợi DNA.

Do DNA quá nhỏ để nghiên cứu chi tiết dưới kính hiển vi, các nhà khoa học bao gồm Watson và Crick buộc phải suy đoán về cách thức DNA nhân bản. TS. Stahl và Meselson đã xác nhận quan điểm của Watson và Crick về quá trình sao chép DNA.

Thí nghiệm của họ sử dụng nguyên tố nito, một thành phần chính của DNA. Họ sử dụng hai loại đồng vị nito: “nhẹ” và “nặng”. Đồng vị đầu tiên (nito 14) là loại thường thấy trong tự nhiên, còn đồng vị thứ hai (nito 15) thì cực kỳ hiếm.

TS. Stahl và Meselson nuôi cấy vi khuẩn E. Coli trong nguồn thức ăn chứa đồng vị nito nặng, sau đó chuyển chúng sang nito nhẹ. Sau mỗi thế hệ, họ chiết xuất DNA của vi khuẩn và đưa nó vào máy ly tâm. Cỗ máy này xoay nhanh đến mức chất lỏng bên trong tách thành các dải riêng biệt tùy theo mật độ.

Giống như người ta dùng máy ly tâm để tách sữa khỏi kem, cỗ máy này khi hoạt động trong thời gian đủ dài có thể tách DNA lơ lửng trong dung dịch nước muối nếu mật độ phân tử của DNA khác nhau.

Sử dụng phương pháp nêu trên, TS. Stahl và Meselson đo mật độ của DNA và cho thấy khi nó nhân đôi, các sợi gốc nặng vẫn bắt cặp với các sợi con nhẹ sau mỗi thế hệ. Kết quả, được đăng trên Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ vào năm 1958, đã chứng minh giả thuyết của Watson và Crick.

Thí nghiệm của Meselson và Stahl nhận được cơn mưa lời khen từ nhiều nhà khoa học nổi tiếng, trong đó có Watson. Thí nghiệm này đã giúp mô hình DNA của Watson-Crick được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi. Ngoài ra, kết quả của công trình này có tác động không thể phai mờ đến khoa học và y học, từ sửa chữa và chỉnh sửa DNA đến việc sử dụng liệu pháp gene để điều trị bệnh.

Cuộc gặp tình cờ

Franklin William Stahl sinh ngày 8/10/1929 ở Boston, là con út trong gia đình có ba người con. Cha ông là chuyên gia thiết bị tại Công ty Viễn thông New England, còn mẹ ông làm nội trợ.

TS. Stahl chọn ngành sinh học tại Đại học Harvard với mục tiêu trở thành bác sĩ, nhưng để trang trải học phí, ông phải làm việc bán thời gian và đi lại, dẫn đến điểm số không đủ điều kiện để vào trường y.

Khi tốt nghiệp năm 1951, ông cân nhắc đi dạy sinh vật tại trường cấp ba, song mẹ khuyến khích ông tiếp tục học hành. Stahl được nhận vào ba chương trình cử nhân về di truyền và chọn Đại học Rochester vì đây là nơi duy nhất hỗ trợ tài chính cho ông.

Vào mùa hè năm 1952, giáo sư hướng dẫn tiến sĩ của Stahl cử ông tới học tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor ở New York. Tại đây, ông học một khóa về thực thể khuẩn – loại virus săn vi khuẩn bằng cách truyền DNA của chúng vào vi khuẩn. Loại virus này đã định hình quỹ đạo nghiên cứu của Stahl khi khiến ông tin rằng các đổi mới trong di truyền học sẽ xuất hiện từ nghiên cứu về bộ gene tương đối đơn giản của virus và vi khuẩn. Nghiên cứu của ông cuối cùng đã sử dụng bức xạ để phá vỡ trình tự DNA trong thực thể khuẩn. Ông cũng có thể lập bản đồ mã DNA của thực thể khuẩn T4 và rút ra mối liên hệ giữa các trình tự di truyền cụ thể và chức năng của sinh vật. Trong quá trình này, TS. Stahl đã nghiên cứu thực thể khuẩn Lambda phức tạp hơn và cách DNA của nó nhân lên bên trong tế bào vi khuẩn chủ.

Hai năm sau, TS. Stahl tới Phòng thí nghiệm sinh học biển ở Woods Hole, Massachusetts để tham gia một khóa sinh học phân tử do Watson và Crick giảng dạy. Vào cái ngày gặp Meselson — lúc đó là nghiên cứu sinh tại Caltech, Stahl đang ngồi dưới gốc cây và giải một bài toán.

Hai người liền nảy sinh tình bạn với nhau. Họ dành nhiều giờ để thảo luận về phương pháp tìm ra đáp án của các câu hỏi cấp bách về DNA, đặc biệt là về phương thức tự nhân đôi. Trong khi Meselson có một vài ý tưởng về phương thức thí nghiệm mới, TS. Stahl lại sở hữu kỹ năng toán học cần thiết. Họ lên kế hoạch cho Stahl và Meselson ở Caltech cùng nghiên cứu hậu tiến sĩ, sau khi ông lấy bằng tiến sĩ ở Rochester vào năm 1956.

Một năm trước đó, TS. Stahl đã kết hôn với Mary Morgan – lúc đó là sinh viên tại Trường Antioch ở Ohio. Bà Mary sau này trở thành kỹ thuật viên nghiên cứu của chồng. Hai vợ chồng là đồng tác giả của nhiều bài báo khoa học và cùng khám phá ra điểm nóng tái tổ hợp DNA đầu tiên – tại điểm này các sợi DNA thường trao đổi các đoạn vật liệu di truyền.

Thí nghiệm quan trọng của Stahl với Meselson được thực hiện từ tháng 10/1957 đến tháng 1/1958 đã trả lời một câu hỏi lớn trong lĩnh vực sinh học phân tử còn non trẻ lúc bấy giờ: DNA – vật liệu di truyền trung tâm của sự sống – tự nhân đôi thế nào? Công trình của hai nhà khoa học trẻ được coi là một phần thiết yếu của kinh điển sinh học và di truyền học. Với việc sử dụng phương pháp đánh dấu DNA để tạo ra một hình ảnh trực quan đơn giản và tinh tế của DNA, thí nghiệm này được nhà hóa sinh người Anh John Cairns khen ngợi là “thí nghiệm đẹp nhất trong sinh học”.

Sau khi hoàn thành thí nghiệm, TS. Stahl rời Caltech vào năm 1958 và chuyển công tác đến Đại học Oregon. Năm 1964, ông xuất bản “The Mechanics of Inheritance” – một bản tóm tắt về các tiến bộ di truyền gần đây. Trong thập niên tiếp theo, ông tập trung nghiên cứu di truyền virus và vào năm 1979 ông xuất bản cuốn sách thứ hai là “Genetic Recombination”.

Nhờ những đóng góp to lớn của mình, TS. Stahl được trao Giải Thiên tài từ Quỹ MacArthur, hai lần nhận Guggenheim Fellowship và Huy chương Thomas Hunt Morgan của Hiệp hội Di truyền Hoa Kỳ vì những đóng góp trọn đời.