Oswald Avery

Oswald Avery là một bác sĩ và nhà nghiên cứu y học người Mỹ gốc Canada. Ông cùng nhóm nghiên cứu của mình là những người đầu tiên phát hiện ra DNA chính là phân tử mang thông tin di truyền. Avery sinh ra trong gia đình theo đạo Báp-tít tại Halifax, Nova Scotia, Canada vào ngày 21 tháng 10 năm 1877. Năm 10 tuổi, ông cùng gia đình chuyển đến Thành phố New York, Mỹ. Tại đây, Oswald và anh trai tự học thổi kèn cornet và biểu diễn nhạc vào Chủ nhật bên ngoài nhà truyền giáo để thu hút người qua đường. Ông là một nhạc sĩ tài năng và thậm chí còn được Nhạc viện Quốc gia trao học bổng. Oswald hoàn toàn không hứng thú với bất cứ lĩnh vực khoa học nào cho đến năm 1900 – khi ông quyết định theo học tại Trường Cao đẳng Y khoa và Phẫu thuật của Đại học Columbia ở New York. Ông là một sinh viên xuất sắc với điểm cao trong hầu hết các môn học, trừ môn vi sinh vật dù sau này sẽ trở thành một nhà vi sinh vật học nổi tiếng thế giới.

KHỞI ĐẦU CỦA MỘT NHÀ VI SINH VẬT HỌC

Năm 26 tuổi, Avery tốt nghiệp và làm bác sĩ gia đình trong hai năm. Ông cảm thấy bất lực và chán nản khi thấy quá nhiều bệnh nhân của mình đang mắc những bệnh không thể chữa khỏi. Từ đó, ông quyết định trở thành một nhà vi sinh vật học rồi bắt đầu làm việc bán thời gian trong lĩnh vực vi sinh vật sữa – công việc của ông là đo vi khuẩn trong sữa trước và sau khi tiệt trùng.

Năm 1907, ở tuổi 30, Avery trở thành trợ lý giám đốc Phòng thí nghiệm Hoagland ở Brooklyn, New York. Ở đó, ngoài việc giảng dạy cho sinh viên, ông còn được đào tạo về các phương pháp hóa học và vi sinh vật hiện đại. Ông cũng học cách thực hiện các thí nghiệm với sự tỉ mỉ khác thường – đây sẽ là một trong những đặc điểm của công việc nghiên cứu trong tương lai của ông.

Oswald bắt đầu sự nghiệp nghiên cứu của mình bằng việc nghiên cứu các sản phẩm sữa lên men như sữa chua. Ông đã nghiên cứu vai trò của chúng trong việc kiểm soát vi khuẩn có hại trong đường ruột của con người, một chủ đề sẽ trở nên thịnh hành trở lại sau khoảng 100 năm.

Avery đã xuất bản chín bài báo trên các tạp chí học thuật. Năm 1913, một bài báo ông viết về bệnh lao đã thu hút sự chú ý của Rufus Cole – giám đốc Viện Rockefeller ở Manhattan. Trong chuyến thăm Hoagland, Cole đã dành thời gian trò chuyện với Avery để đánh giá ông. Kết quả là Avery trở thành nhà vi trùng học tại Viện Rockefeller vào tháng 9 năm 1913. Trong suốt sự nghiệp còn lại, Avery tập trung nghiên cứu về vi khuẩn viêm phổi – căn bệnh tử thần cướp đi hơn 50 nghìn sinh mạng ở Mỹ mỗi năm.

NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN DNA LÀ PHÂN TỬ MANG GEN DI TRUYỀN

Nguồn ảnh: bibalex.org

Những nghiên cứu về gen di truyền và DNA trước Avery

Mendel, Miescher và DNA

Vào năm 1866, Gregor Mendel – một nhà nghiên cứu làm việc tại Moravia (nay là Cộng hòa Séc), đã công bố rằng con cái thừa hưởng các đặc điểm thể chất của cha mẹ theo các quy tắc rõ ràng. Nghiên cứu của ông đã bị phớt lờ hoàn toàn cho đến năm 1900. Sau này, các nhà khoa học nhận ra rằng phải có một thứ gì đó phải mang theo các đơn vị di truyền từ cha mẹ sang con cái, và chúng bắt buộc phải tuân theo quy luật Mendel. Các đơn vị di truyền này – được đặt tên là gen.

Năm 1871, nhà sinh vật học người Thuỵ Sĩ Friedrich Miescher đã phát hiện ra một phân tử mới và đặt tên là nuclein, vì nó có nguồn gốc từ nhân tế bào. Đây chính là axit deoxyribonucleic hay ngắn gọn hơn là DNA.

Tại thời điểm đó, chỉ có số ít nhà khoa học nghi ngờ rằng DNA có vai trò trong di truyền bởi cấu tạo của DNA quá đơn giản. Thay vào đó, đa số tin rằng protein mới là thứ mang theo thông tin di truyền bởi chúng có cấu tạo vô cùng phức tạp và có rất nhiều hình dạng.

Thí nghiệm của Griffith về “nguyên lý biến đổi” – nền móng cho nghiên cứu của Avery và cộng sự

Năm 1928, nhà khoa học người Anh Frederick Griffith trong khi cố gắng tìm ra vắc-xin phòng bệnh viêm phổi, đã phát hiện ra nguyên lý biến đổi của vi khuẩn.

Trong thí nghiệm của mình, ông đã sử dụng phế cầu khuẩn Streptococcus pneumoniae, gồm hai chủng – chủng vi khuẩn loại III-S (chủng bờ nhẵn smooth) gây độc, và chủng loại II-R (chủng bờ nhám rough) trung tính không độc. Chủng III-S có một lớp vỏ nhầy polysaccharide bảo vệ chúng khỏi hệ miễn dịch của sinh vật chủ, khiến vật chủ bị chết; trong khi chủng II-R không có lớp vỏ bảo vệ này và hệ thống miễn dịch của sinh vật chủ có thể ngăn chặn được.

Griffith đã thí nghiệm bằng cách tiêm hai chủng này vào 5 nhóm chuột. Kết quả thu được như sau:

Từ thí nghiệm trên, Griffith đã kết luận rằng chủng II-R đã “biến đổi” sang chủng gây độc III-S bằng cách nhận các độc tố dựa trên những phần nào đó từ xác của chủng III-S. Ông gọi đây là “nguyên lý biến đổi”, tuy nhiên ông lại không biết bản chất chính xác của nguyên lý này. Do vậy, các nhà khoa học thời đó vẫn tranh cãi nhằm tìm ra nguyên nhân của nguyên lý này.

Những nghiên cứu về gen di truyền và DNA sau Avery

Từ hoài nghi đến niềm tin

Thí nghiệm của Griffith đã khiến Avery chú ý bởi có liên quan đến chuyên môn của chính ông – vi khuẩn viêm phổi. Avery vô cùng ngưỡng mộ Griffith, nhưng cũng hoài nghi về kết quả của thí nghiệm này. Ông nghi ngờ rằng vi khuẩn đã bị nhiễm bẩn. Do đó, một nghiên cứu viên trẻ trong phòng thí nghiệm của Avery, Martin Dawson, đã thực hành lại thí nghiệm của Griffith. Khi Dawson xác nhận kết quả của Griffith là hoàn toàn chính xác, Avery buộc phải thừa nhận rằng sự chuyển đổi từ chủng II-R sang chủng III-S là một sự thật. Các phòng thí nghiệm khác cũng đi đến kết luận tương tự.

Khởi đầu chậm chạp và khó khăn

Sau khi Dawson rời đi, Avery bắt đầu tự mình tiến hành các thí nghiệm, nhưng thời gian của ông bị hạn chế nghiêm trọng bởi công việc cho các nghiên cứu lớn khác. Bên cạnh đó, ông cũng mất khoảng sáu tháng không thể đến phòng thí nghiệm vì bệnh nặng. Ngoài ra, các thí nghiệm tương đối khó khăn, thường cho kết quả không mang tính tuần hoàn. Tất cả những điều trên khiến cho tiến độ công việc trở nên rất chậm.

Dần tăng tốc

Năm 1935, phòng nghiên cứu nơi Avery làm việc có thêm một nhà nghiên cứu trẻ mới, Colin MacLeod, một thần đồng đã được nhận vào Đại học McGill của Montreal ở tuổi 15. MacLeod đã mang đến cho nghiên cứu của Avery một động lực mới. Tuy nhiên, cả Avery và MacLeod đều tham gia vào các dự án khác. Cho đến năm 1940, họ mới dừng mọi công việc khác để tập trung vào nguyên tắc chuyển hóa, cùng nhau miệt mài làm việc nhiều giờ trong phòng thí nghiệm.

Sau một năm làm việc cùng nhau, Avery và MacLeod đã có thể chắc chắn rằng nguyên tắc chuyển hóa không bao gồm protein và lipid. Vì trong thí nghiệm của mình, họ đã loại bỏ hai chất này khỏi chủng III-S bị tiêu diệt bởi nhiệt lượng nhưng sự chuyển đổi từ chủng II-R sang chủng III-S vẫn tiếp tục diễn ra. Giai đoạn này MacLeod chính thức rời khỏi dự án bởi ông đã được bổ nhiệm làm Giáo sư Vi trùng học tại Trường Y thuộc Đại học New York.

Kết luận cuối cùng: “Chủng II-R biến đổi thành chủng III-S nhờ DNA của chủng III-S”

Với sự rời đi của MacLeod, Maclyn McCarty, một nghiên cứu sinh 30 tuổi từ Indiana, đã tham gia dự án vào tháng 9 năm 1941. Tiến độ bây giờ đã trở nên vô cùng nhanh chóng. Hai nhà nghiên cứu đã loại bỏ tất cả các thành phần khác của tế bào, chỉ để còn lại chất chuyển hóa. McCarty đã xác định bằng cách thử nghiệm hóa học rằng chất này chỉ có thể là axit deoxyribonucleic, tức là DNA.

Thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty được công bố

Gần cuối năm 1943, Avery, MacLeod và McCarty đã gửi công trình của họ để công bố trên Tạp chí Y học Thử nghiệm và đã được xuất bản vào năm sau. Họ đã phát hiện ra rằng DNA là phân tử mang thông tin di truyền. DNA là một phân tử khổng lồ bởi có trọng lượng phân tử rất cao. Công việc của họ được biết đến với tên gọi là thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty. Lúc này, Oswald Avery đã bước qua tuổi 66.
Tuy nhiên, công trình này đã bị phản đối mạnh mẽ. Nhiều nhà nghiên cứu lớn có tầm ảnh hưởng đã không chịu buông bỏ lý tưởng cho rằng protein mới là gen di truyền. Họ cố phủ nhận công bố của Avery và cộng sự bằng cách nói rằng DNA của ông vẫn có chút protein trong đó.
Chỉ có số ít nhà nghiên cứu thời đó chấp nhận thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty. Một trong số đó là Edwin Chargaff, người đã thực hiện những bước tiến lớn tiếp theo hướng tới việc hiểu rõ vai trò của DNA trong di truyền học.

Thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty

Giai đoạn thử nghiệm sơ bộ

Avery cùng cộng sự đã tách các thành phần trong “nguyên lý biến đổi” rồi sau đó phân tích bằng một loạt các thử nghiệm rất cẩn thận và so sánh chúng với các mẫu phân tử sinh học đã biết. Từ loạt thử nghiệm này, họ kết luận như sau:

Tuy vậy, những kết luận trên không quá hữu ích khi mà vẫn có những phân tử sinh học khác mang một vài đặc điểm tương tự, chẳng hạn như Protein cũng chỉ tồn tại được ở nhiệt độ thấp và độ PH trên 5,… Vì vậy, Avery cùng đồng nghiệp của mình đã tiến hành giai đoạn tiếp theo.

Giai đoạn thí nghiệm

Sau giai đoạn thử nghiệm, Avery cùng cộng sự đã có thể loại trừ được hai thành phần là carbohydrates và lipids. Một trong những phân tử sinh học còn lại sau thử nghiệm chắc chắn là thành phần chịu trách nhiệm về sự biến đổi của vi khuẩn và đối với tính di truyền. Nhóm các nhà nghiên cứu đã loại bỏ từng thành phần này trong vi khuẩn chủng III-S đã bị tiêu diệt bởi nhiệt lượng, rồi trộn với vi khuẩn chủng II-R . Sau đó, họ ủ hỗn hợp và tiêm vào chuột. Nếu con chuột vẫn chết mặc dù đã loại bỏ một thành phần, nhóm của Avery sẽ biết rằng phân tử sinh học đó không phải là nguyên nhân gây nên sự biến đổi. Như Avery đã lưu ý trong bài công bố, cacbohydrat và lipid không được kiểm tra trực tiếp trong phần thứ hai của thí nghiệm bởi chúng đã được loại bỏ thông qua giai đoạn thử nghiệm. Các nhà nghiên cứu đã thêm các enzym đặc biệt, mỗi loại sẽ tiêu diệt một thành phần cụ thể vào một số lọ vi khuẩn riêng biệt.

Kết quả thu được như sau:

Từ kết quả trên, nhóm Avery–MacLeod–McCarty đã kết luận DNA chính là phân tử mang thông tin di truyền. Tuy nhiên, đa phần nhà nghiên cứu thời đó đã phủ định công trình này. Nên dù được đề cử giải Nobel, nhưng do vấp phải sự phản đối quá lớn, ông đã không thể có cho mình bất cứ giải Nobel nào trong sự nghiệp. Dẫu vậy, không thể phủ nhận được rằng ông cùng hai cộng sự của mình chính là những người đầu tiên phát hiện ra DNA là phân tử mang thông tin di truyền.

NHỮNG NGÀY CUỐI ĐỜI

Avery sống chủ yếu vì công việc của mình nên ông không lập gia đình và không có con. Năm 1948, ở tuổi 71, Avery chuyển đến Nashville, Tennessee và thuê một căn nhà lớn gần nhà người em trai ruột tên Roy, người đang dạy vi khuẩn học tại Đại học Vanderbilt.

Oswald Theodore Avery qua đời ở tuổi 78 vào ngày 20 tháng 2 năm 1955 tại Nashville vì căn bệnh ung thư gan. Ông được chôn cất tại Nghĩa trang Mount Olivet của Nashville.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Famous Scientists – Biography, Facts and Pictures

OpenStax – Microbiology: Using Microbiology to Discover the Secrets of Life

The Biotech Notes – Avery’s experiment