Vật chất di truyền của vi khuẩn là gì

DNA là vật chất di truyền

Ai đã chứng minh chân lý này và bằng cách nào ?

Ngày nay chúng ta đều biết DNA chính là vật chất di truyền của tế bào. Tuy nhiên khi Mendel lần đầu tiên dự đoán về sự tồn tại của các gen, ông không biết danh tính của các phân tử cho phép chúng lưu trữ và truyền đạt lại các thông tin.

Nhưng một vài năm sau, phân tử này được vô tình tìm ra bởi Johann Freidrich Miescher, một nhà vật lý người Thụy Sĩ. Miescher đã báo cáo công trình về chất này vào năm 1869 mà chúng ta ngày nay biết đó là DNA, cũng chỉ vài năm trước khi nhà sinh học Walther Flemming lần đầu tiên quan sát các nhiễm sắc thể khi ông nghiên cứu các tế bào đang phân chia dưới kính hiển vi.

Phát hiện của Miescher về DNA dẫn tới những ý kiến đối lập về bản chất hóa học của gen

Miescher tập trung vào nghiên cứu đặc điểm hóa học của gen, nó là thứ mà hầu hết các nhà khoa học đoán là vị trí của vật liệu di truyền của tế bào.

Trong những thí nghiệm ban đầu của ông, ông phân lập các nhân từ các tế bào bạch cầu thu được từ mủ tìm thấy trong bông băng phẫu thuật.

Phân giải các nhân này với chất kiềm dẫn tới phát hiện về một chất lạ thường mà ông gọi là nuclein (chất nhân) mặc dù ngày nay chúng ta biết phổ biến đó là DNA.

Miescher sau đó đi vào nghiên cứu DNA từ một nguồn thú vị hơn, tinh trùng cá hồi.

Tinh trùng cá có vẻ là một nguồn vật liệu không phổ biến lắm cho tới khi ông nhận ra rằng hàm lượng nhân trên 90% trong tổng số sinh khối của một tế bào tinh trùng điển hình và vì thế lượng DNA chiếm hầu hết sinh khối của các tế bào tinh trùng.

Với lí do này, Miescher có niềm tin ban đầu rằng DNA có liên quan trong quá trình truyền đạt thông tin di truyền. Tuy nhiên ông sớm loại bỏ ý tưởng này bởi vì các kỹ thuật đo lường thô sơ của ông gợi ý một cách sai lầm rằng các tế bào trứng chứa hàm lượng DNA cao hơn tinh trùng.

Lập luận rằng tinh trùng và trứng hẳn phải góp khoảng chừng ngang bằng nhau về lượng thông tin di truyền cho con cái, nó gợi cho ông rằng DNA không mang thông tin di truyền.

Mặc dù Miescher bị lệch lạc về chức năng của DNA, vào đầu những năm 1880 một nhà thực vật học có tên là Edward Zacharias báo cáo về việc DNA tách chiết từ các tế bào gây cho sự bắt màu nhuộm của các nhiễm sắc thể thành biến mất.

Từ bằng chứng này lập tức bắt đầu xuất hiện đề xuất một vai trò của nhiễm sắc thể trong truyền đạt thông tin di truyền, Zacharias và những người khác cho rằng DNA là vật liệu di truyền.

Cách nhìn này đã ngự trị cho tới tận đầu những năm 1900, khi các thí nghiệm nhuộm màu bị giải thích sai lầm dẫn tới kết luận sai rằng lượng DNA thay đổi thất thường trong các tế bào. Bởi vì các tế bào được tin rằng chứa một lượng cố định các chất lưu giữ những chỉ dẫn di truyền của nó, các quan sát sai lầm đưa đến một sự bác bỏ ý quan điểm DNA mang thông tin di truyền.

Hệ quả là, từ những năm 1910 tới những năm 1940, hầu hết các nhà khoa học tin là các gen được tạo ra bởi các protein hơn là DNA.

Khối cấu trúc hóa học của cả protein và axit nucleic đã được xác định từ đầu những năm 1900, và các protein được nhận định là phức tạp hơn và do đó giống với thông tin di truyền hơn.

Các nhà khoa học đã tranh cãi rằng các protein được xây dựng từ hơn 20 loại amino axit khác nhau và có thể tập hợp thành một số lượng lớn của các tổ hợp và vì thế sinh ra trình tự đa dạng và phức tạp của một phân tử lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền.

Trái lại, DNA được tin là một polimer đơn giản chứa trình tự tương đồng của 4 bases lặp đi lặp lại, vì thế thiếu tính đa dạng như mong đợi ở một phân tử di truyền.

Avery đã chỉ ra rằng DNA là vật chất di truyền của vi khuẩn

Lúc đó các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu các phân tử protein để xác định làm thế nào thông tin di truyền được lưu trữ và truyền đạt.

Nền tảng được đưa ra vào năm 1928 bởi nhà vật lý người Anh Frederick Griffith, người nghiên cứu một chủng vi khuẩn gây bệnh được gọi là pneumococcus, gây ra bệnh viêm phổi gây chết trên động vật, Griffith khám phá ra rằng vi khuẩn này (nay được gọi là Streptococcus pneumoniae) tồn tại ở hai chủng là chủng là R và S.

Khi lớn lên từ một môi trường thạch lỏng, chủng S sản xuất ra những khuẩn lạc nhẵn và bóng bởi dịch tiết, áo polysaccharide của mỗi tế bào tiết ra, trong khi chủng R không có khả năng sản xuất lớp dịch tiết và vì thế khuẩn lạc tạo ra có viền bao quanh không được nhẵn.

Khi tiêm vào chuột, chủng vi khuẩn S làm khởi phát chứng viêm phổi gây chết. Khả năng gây bệnh của chủng S có liên quan trực tiếp tới sự có mặt của áo polysaccharide của nó, thứ bảo vệ tế bào vi khuẩn trước sự tấn công của hệ thống miễn dịch của con chuột.

Tuy nhiên một trong những khám phá thú vị nhất của Grifftith là chứng viêm phổi cũng có thể được tạo ra bằng việc tiêm vào động vật với hỗn hợp của chủng R sống và chủng S đã chết (Hình 1).

Sự phát hiện này gây ngạc nhiên bởi kể cả chủng R sống hay chủng S đã chết nếu tiêm riêng rẽ cũng không thể gây chứng viêm phổi.

Khi Grifftith giải phẫu các động vật bị tiêm hỗn hợp chứa chủng vi khuẩn R sống và chủng S đã chết, ông ta tìm ra rằng con vật chứa đầy chủng vi khuẩn S sống. Từ chỗ các loài vật không bị tiêm bất kỳ tế bào nào của chủng S sống, ông kết luận rằng chủng vi khuẩn không gây bệnh R đã bằng một cách nào đó chuyển thành chủng vi khuẩn S gây bệnh được bởi một chất biểu hiện trong các vi khuẩn chủng S bị giết bởi nhiệt cũng được tiêm vào khi đó.

Ông gọi hiện tượng này là sự biến nạp di truyền (gentic transfomation) và được quy cho là đã kích hoạt (nhưng vẫn chưa được biết) chất trong các tế bào S như là cơ sở biến nạp (transforming principle)

Hình 1. Thí nghiệm của Frederick Griffith (1928), kế thừa bởi AveryMacLeodMcCarty (báo cáo năm 1944) gợi ý về bản chất của vật liệu di truyền. Chuột sẽ chết nếu bị tiêm vào chủng vi khuẩn S (a) và không bị ảnh hưởng trước chủng R (b). Làm chết vi khuẩn chủng S và tiêm vào chuột, chuột vẫn bình thường (c). Trộn vi khuẩn S đã chết với vi khuẩn R sống, chuột bị chết. Xét nghiệm chỉ ra trong máu của chuột chết có chủng S sống (d). (Sau này, người ta hiểu về hiện tượng này và gọi là sự biến nạp transformation)

Các phát hiện của Grifftith được kế bước trong vòng 14 năm làm việc của Oswald Avery và các cộng sự tại Viện nghiên cứu Rockefeller ở New York.

Các nhà nghiên cứu này theo đuổi các nghiên cứu về sự biến nạp của vi khuẩn bằng câu hỏi thành phần nào của vi khuẩn S đã chết bởi nhiệt thực sự chịu trách nhiệm đối với hoạt động biến nạp này.

Họ đã tách các tế bào tự do chiết từ các vi khuẩn chủng S và tìm ra rằng chỉ có các mảnh axit nucleic mới có khẳ năng gây biến nạp. Hơn thế, hoạt động này bị loại bỏ một cách chính xác bằng phương pháp sử lý với deoxyribonuclease, một enzyme làm thoái biến DNA.

Cùng với các bằng chứng khác, các nhà khoa học đã khẳng định rằng chất biến nạp trong chứng viêm phổi là DNA một kết luận được công bố bởi Oswald Avery, Colin Macleod, và Maclyn McCarty năm 1944.

Đó là các tài liệu đầu tiên khẳng định một cách chặt chẽ rằng DNA mang thông tin di truyền.

Nhưng bất kể tính chắc chắn của các thí nghiệm, sự quy kết vai trò di truyền cho DNA vẫn chưa được chấp nhận ngay lập tức. Sự hoài nghi một phần là do niềm tin lan tỏa và cố chấp rằng DNA không đủ phức tạp cho chức năng đó.

Thêm nữa nhiều nhà khoa học đã đặt câu hỏi liệu thông tin di truyền trong vi khuẩn có bất cứ thứ gì để làm với sự di truyền ở các cơ thể khác. Tuy nhiên hầu hết các nghi vấn còn lại được làm thỏa mãn 8 năm sau khi DNA cũng được chỉ ra là vật liệu di truyền của một virus, thực khuẩn thể T2.

Hershey và Chase đã chỉ ra rằng DNA là vật liệu di truyền của virus

Bacteriorphages hay phages là các virus lây nhiễm vi khuẩn. Chúng là đối tượng của nghiên cứu khoa học từ những năm 1930, và hầu hết các hiểu biết của chúng ta về di truyền phân tử đến từ các thí nghiệm có liên quan tới các viruses.

Một trong những nghiên cứu sâu sắc nhất về các phages lây nhiễm vi khuẩn Escherichia coli là thực khuẩn thể T2. Trong quá trình lây nhiễm, virus này tấn công vào bề mặt tế bào vi khuẩn và chuyển vật liệu vào tế bào. Ngay sau đó, tế bào vi khuẩn bắt đầu sản xuất hàng ngàn bản sao mới của virus.

Kịch bản này gợi ý rằng vật liệu được bơm vào tế bào vi khuẩn mang thông tin di truyền hướng dẫn quá trình sản xuất của virus.

Bản chất hóa học của vật liệu được bơm vào là gì?

Năm 1952, Alfred Hershey và Martha Chase thiết kế một thí nghiệm để trả lời câu hỏi này. Chỉ có hai khả năng có thể tồn tại bởi virus T2 được tạo nên chỉ từ hai loại phân tử: DNA và protein.

Để phân biệt hai khả năng này, hai ông này đã có được thuận lợi do thực tế là các protein của virus T2, như hầu hết các protein khác, chứa nguyên tố sulfure (trong methionine và cysteine) nhưng không có phospho, trong khi DNA virus chứa phospho (trong các liên kết đường phosphate của nó) nhưng lại không có sulfure.

Hershey và Chase do đó chuẩn bị hai mẫu gồm các hạt T2 với các loại nguyên tử phóng xạ đánh dấu khác nhau. Trong một mẫu, họ đánh dấu các protein phage với đồng vị phóng xạ 35S; trong mẫu còn lại họ đánh dấu DNA phage với đồng vị 32P.

Bằng cách sử dụng đồng vị phóng xạ, Hershey và Chase có khả năng chỉ ra số phận của cả protein và DNA trong quá trình lây nhiễm. (Hình 2a).

Họ bắt đầu thí nghiệm bằng việc trộn phage nhiễm xạ với các tế bào vi khuẩn nguyên vẹn và cho phép các hạt phages tấn công vào bề mặt của tế bào vi khuẩn và lây nhiễm vật liệu di truyền của nó vào trong các tế bào.

Ở điểm này, Hershey và Chase thấy rằng các protein vỏ trống rỗng (được gọi là Phage ma) có thể được loại bỏ một cách hoàn toàn khỏi bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách làm khuấy động dịch huyền phù trong một máy trộn thông thường và thu lại các tế bào vi khuẩn bằng máy li tâm.

Họ sau đó đã đo độ phóng xạ trong dịch lỏng nổi phía trên và trong đám nhỏ của các vi khuẩn ở đáy ống nghiệm.

Kết quả chỉ ra rằng hầu hết (65%) 32P tồn tại với các tế bào vi khuẩn, trong khi phần lớn (80%) của 35S được giải phóng ra môi trường xung quanh (Hình 2b).

Do 32P đánh dấu DNA virus còn 35S đánh dấu protein virus, từ đó Hershey và Chase kết luận rằng DNA, chứ không phải protein, đã được chuyển vào các tế bào vi khuẩn; do đó DNA phải thực hiện chức năng như là vật liệu di truyền của phage T2.

Kết luận này nhận được sự ủng hộ lớn từ quan sát dưới đây: khicác vi khuẩn nhiễm xạ bị lây nhiễm được đưa trở lại vào dung dịch trong sạch và được ủ lâu hơn, 32P được chuyển cho một số hạt virus con, nhưng 35S thì không.

Nhờ có kết quả từ thí nghiệm như chúng ta đã mô tả, vào đầu những năm 1950 hầu hết các nhà sinh học đi đến chấp nhận cái nhìn rằng các gen được tạo ra từ DNA, không phải protein.

Nhưng không may thay, Oswald Avery, người có vai trò lớn nhất đối với việc thay đổi hoàn toàn trong cái nhìn liên quan tới chức năng của DNA, lại không bao giờ nhận được sự vinh danh mà ông xứng đáng nhận được. Ủy ban Nobel đã đề cập tới đóng góp của Avery nhưng đã quyết định rằng ông ấy chưa làm đủ.

Có lẽ bản tính khiêm tốn và nhún nhường của Avery là nguyên nhân của sự thiếu công nhận đó. Sau khi Avery mất năm 1955, nhà hóa sinh học Erwin Chargaff đã viết với lòng tôn kính: He was a quiet man; and it would have honored the world more, had it honored him more.

Tại sao thí nghiệm của Hershey Chase nhận được sự đón nhận nồng nhiệt hơn thí ngiệm biến nạp của Avery trên vi khuẩn trước đó, dù cho cả hai đều đưa tới cùng một kết luận?

Lý do chính có lẽ là sự chảy trôi của thời gian và những tích lũy cứ tăng lên, các chứng cớ tường tận từ sau công bố của Avery năm 1944. Có lẽ quan trọng nhất là bằng chứng chỉ ra DNA thực sự đủ tính biến đổi trong cấu trúc để đáp ứng như là vật liệu di truyền. Chứng cớ này đến từ nghiên cứu sự kết hợp của base DNA, như chúng ta sẽ bàn luận sau đây.

Hình 2. Thí nghiệm của Hershey Chase (1952): DNA là vật liệu di truyền của Phage T2. (a) (1). T2 đã đánh dấu với đồng vị 35S (đánh dấu protein) hoặc 32P (đánh dấu DNA) được dùng để lây nhiễm vi khuẩn. Phage bám trên bề mặt vi khuẩn và bơm DNA của nó vào. (2) Khuấy động mạnh các vi khuẩn nhiễm virus làm đánh bật hết 35S ra khỏi tế bào, trong khi hầu hết 32P vẫn còn ở lại. (3) Ly tâm khiến cho các tế bào bị dồn xuống đáy; bất cứ hạt phage tự do nào, kể cả xác (ghost) đang tồn tại ở dịch bên trên. (4) Khi các tế bào từ cặn đáy ống được ủ lâu hơn, DNA của phage trong vi khuẩn ra lệnh cho quá trình tổng hợp và cuối cùng là giải phóng các hạt phage mới. Một trong số các phage này chứa 32P trong DNA của chúng (bởi vì DNA phage cũ đã đánh dấu có thể được đóng gói vào một số hạt virus mới) nhưng không hề chứa 35S ở vỏ protein của virus. (b) Đồ thị chỉ ra tỉ lệ 35S và 32P bị loại khỏi tế bào vi khuẩn ở bước (3). Một vài phút khuấy đảo là đủ để loại đi phần lớn (80%) 35S, trong khi giữ lại rất nhiều (65%) 32P trong tế bào.

Lời kết: như vậy, qua bài viết này, các bạn đã có thêm nhiều thông tin thú vị về DNA vật chất di truyền của sự sống. Và để có được kết luận này, các nhà sinh học đã có một chặng đường dài, liên tục và kế tiếp nhau để cùng khám phá ra đơn vị cơ bản của di truyền học.

Tham khảo: Sách Beckers world of the cell / Jeff Hardin, Gregory Bertoni, Lewis J. Kleinsmith. 8th ed

Đọc thêm: Di truyền biểu sinh giữa các thế hệ

Tổ tiên chung của sinh giới

Iceberg (dịch và biên tập)
Cố vấn khoa học: TS. Đặng Trần Hoàng
www.tapchisinhhoc.com