Nobel Hóa học 2018: ‘Cuộc cách mạng của tiến hóa’
Khi thông báo giải thưởng Nobel hóa học 2018, Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển đã chơi chữ bằng cách dùng hai từ ăn vần trong tiếng Anh ‘evolution’s revolution’ (‘cuộc cách mạng của tiến hóa’) để nói về các nghiên cứu được vinh danh.
Tiến sĩ Frances H. Arnold được tổng thống Barack Obama trao giải thưởng nhà nước về công nghệ và sáng tạo năm 2013 – Ảnh: Reuters
Chủ nhân của Nobel hóa học 2018 đã được xướng tên chiều 3-10, họ là 3 nhà khoa học đến từ Mỹ và Anh.
Cụ thể, một nửa giải thưởng trị giá 9 triệu krona Thụy Điển (khoảng 1 triệu USD) thuộc về nghiên cứu tiến hóa hướng đích (directed evolution) các protein có chức năng xúc tác hóa học của TS Frances Arnold (giáo sư hóa sinh tại Học viện Công nghệ California, Mỹ).
Nửa còn lại được trao cho nghiên cứu dùng biểu hiện bề mặt thể thực khuẩn (phage) để thực hiện tiến hóa hướng đích protein có chức năng kháng thể của TS George P. Smith (giáo sư sinh học tại Đại học Missouri, Columbia, Mỹ) và TS Gregory P. Winter (Phòng thí nghiệm sinh học phân tử thuộc Hội đồng nghiên cứu y khoa, Cambridge, Anh).
Điều đặc biệt trong nghiên cứu của Arnold, Smith và Winter là họ đã tận dụng sức mạnh của tiến hóa vào trong nghiên cứu và thực sự đã khiến lĩnh vực này tiến những bước dài
Những bước tiến dài
Đây là những công trình nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực chọn tạo, sàng lọc protein theo ý muốn. Protein là những phân tử sinh học đa phân lớn cấu tạo từ những đơn phân là acid amin, đóng vai trò chủ chốt trong gần như mọi hoạt động của cá thể sống.
Ở người, từ tóc, da, móng tay, cơ cho đến kháng thể bảo vệ cơ thể và những enzyme xúc tác hàng trăm ngàn phản ứng hóa học vi mô diễn ra liên tục trong cơ thể đều có bản chất là protein.
Về mặt khoa học cơ bản, tìm hiểu protein giúp ta hiểu rõ cách thức cấu tạo, hoạt động, cấu trúc và khả năng tương tác của protein với các yếu tố trong và ngoài cơ thể.
Còn về ứng dụng, những hiểu biết này giúp ta chọn tạo được những chất xúc tác sinh học (enzyme) dùng trong sản xuất hay tạo kháng thể trong điều trị bệnh.
Cấu trúc của protein rất phức tạp và khó dự đoán, tính chất của protein lại càng khó dự đoán chính xác hơn. Do đó, thay vì chế tạo protein từ con số không, các nhà khoa học thường biến đổi những protein đã mang sẵn tính chất gần với tính chất mong muốn.
Điều đặc biệt trong nghiên cứu của Arnold, Smith và Winter là họ đã tận dụng sức mạnh của tiến hóa vào trong nghiên cứu và thực sự đã khiến lĩnh vực này tiến những bước dài.
Đầu tiên, họ tạo ra thật nhiều biến thể của protein cũng như cách tự nhiên gây ra những đột biến ngẫu nhiên. Sau đó, họ chọn lọc dưới một áp lực nhân tạo nhất định để loại bỏ những protein không đạt yêu cầu.
Những protein được chọn sẽ lại trải qua chu kỳ chọn lọc như thế nhiều lần nữa (tích lũy các đặc tính đạt yêu cầu) để cuối cùng còn lại những biến thể tốt nhất phục vụ một mục đích nhất định.
Từ tập hợp các đột biến ngẫu nhiên ban đầu, các nhà khoa học chỉ cần thay đổi áp lực chọn lọc là có thể cho ra những dạng protein phục vụ các mục đích khác nhau.
Ứng dụng trong sản xuất và chữa bệnh
Nghiên cứu của bà Arnold tập trung vào các protein xúc tác những phản ứng hóa học (enzyme). Ví dụ như dạng biến thể của enzyme subtilisin từ nghiên cứu của bà có khả năng phân giải một số loại protein khác tốt hơn dạng enzyme tự nhiên đến hơn 250 lần trong dung môi hữu cơ.
Chính công trình nghiên cứu này đã mở ra hướng mới nhằm tiếp tục phát triển và ứng dụng các kỹ thuật của phương pháp tiến hóa hướng đích.
Hướng nghiên cứu về tiến hóa hướng đích trên enzyme đã tiếp tục mở rộng, giúp định hình lại các loại enzyme xúc tác cho hàng loạt phản ứng hóa học (cả mới và cũ), đặc biệt trong lĩnh vực hóa tổng hợp hữu cơ ứng dụng trong công nghiệp hóa, dược, sản xuất nhiên liệu sinh học.
Còn công trình của Smith và Winter là về chọn tạo protein miễn dịch (kháng thể). Ngoài dựa vào nguyên tắc chọn lọc của tiến hóa như trên, hai ông còn ứng dụng khả năng biểu hiện protein ngoại lai trên bề mặt thể thực khuẩn (một loại virút ký sinh trên vi khuẩn) cho mục đích chọn lọc.
Ưu thế của phương pháp này là dễ chọn lọc khả năng tương tác với kháng nguyên vì protein kháng thể được biểu hiện trên bề mặt, chứ không bị các cấu trúc sinh học khác che khuất.
Đồng thời, vì protein do thể thực khuẩn biểu hiện nên khi đã chọn được thể thực khuẩn mang protein mong muốn, ta có thể tiếp tục đem nhân số lượng bằng cách nuôi các thể này bằng vi khuẩn để tiếp tục các chu kỳ chọn lọc tiếp theo.
Một thành quả điển hình từ cách làm này là kháng thể adalimumab dùng trong điều trị thấp khớp, vẩy nến và viêm ruột.
* TS LÊ ĐỨC DŨNG (Phòng thí nghiệm nghiên cứu ung thư máu và ghép tế bào gốc, Bệnh viện Đại học Wuerzburg, CHLB Đức):
Ứng dụng các quá trình có sẵn trong tự nhiên
Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học được vinh danh đều có một đặc điểm chung là bắt chước và sử dụng các quá trình đã có sẵn trong tự nhiên, thông qua sự thay đổi và ứng dụng thêm công nghệ mới để tạo ra những sản phẩm có bản chất tự nhiên cao hơn và hoạt động hiệu quả hơn.
Qua giải Nobel y sinh và hóa học năm nay, chúng ta có thể thấy giới khoa học đánh giá rất cao và cổ vũ việc ứng dụng các quá trình có sẵn trong tự nhiên để áp dụng trong sản xuất các chất có hoạt tính sinh học và điều trị bệnh.
Đó cũng đang là xu hướng hiện nay trong nghiên cứu của các lĩnh vực y học, sinh học hay hóa sinh trên thế giới.
Chân dung 3 nhà khoa học đoạt giải Nobel hóa học 2018. Từ trái qua: bà Frances H. Arnold, ông George P. Smith và ông Gregory P. Winter – Ảnh: Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển
* Bà Frances H. Arnold sinh năm 1956 tại Pittsburgh, Mỹ. Bà lấy bằng tiến sĩ năm 1985 tại Đại học California của Mỹ, hiện công tác tại Viện Công nghệ California.
Năm 2013, bà được tổng thống Mỹ Barack Obama trao giải thưởng nhà nước về công nghệ và sáng tạo.
TS Arnold là phụ nữ thứ 5 được trao giải Nobel hóa học trong lịch sử.
* Ông George P. Smith sinh năm 1941 tại Norwalk (Mỹ). Ông lấy bằng tiến sĩ năm 1970 tại Đại học Harvard (Mỹ), hiện là giáo sư khoa khoa học sinh học Đại học Missouri, Columbia (Mỹ).
* Ông Gregory P. Winter sinh năm 1951 tại Leicester, Vương quốc Anh. Ông lấy bằng tiến sĩ năm 1976 tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh.
Hiện ông là trưởng nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm sinh học phân tử MRC, Cambridge, Vương quốc Anh.
