DNA là vật chất di truyền

Ai đó đã chứng minh lý lẽ này và bằng phương pháp nào ?

Ngày này tất cả chúng ta đều biết DNA đây chính là vật chất di truyền của tế bào. Tuy nhiên khi Mendel lần trước tiên dự đoán về việc tồn tại của nhiều gen, ông không biết tính danh của nhiều phân tử được chấp nhận chúng lưu trữ và truyền đạt lại các thông tin.

Bạn Đang Xem: DNA là vật chất di truyền

Nhưng một vài năm tiếp theo, phân tử này được vô tình tìm ra bởi Johann Freidrich Miescher, một nhà vật lý người Thụy Sĩ. Miescher đã văn bản báo cáo khu công trình về chất này vào năm 1869 mà tất cả chúng ta ngày này biết đó là DNA, cũng chỉ vài năm trước lúc nhà sinh vật học Walther Flemming lần trước tiên quan sát các thể nhiễm sắc 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 thực chất hóa học của gen

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

Trong những thí nghiệm ban sơ của ông, ông phân lập các nhân từ các tế bào bạch huyết 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 này tất cả chúng ta biết phổ thông 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 thông lắm cho tới khi ông nhận ra rằng hàm lượng nhân trên 90% trong tổng số sinh khối của một tế bào tinh trùng tiêu biểu và vì thế lượng DNA chiếm hồ hết sinh khối của nhiều tế bào tinh trùng.

Với lí do này, Miescher có niềm tin ban sơ 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 giám sát thô sơ của ông gợi ý một cách sai trái rằng các tế bào trứng chứa hàm lượng DNA mạnh hơn tinh trùng.

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

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

Từ bằng cớ này tức tốc mở màn xuất hiện đề xuất một vai trò của thể nhiễm sắc trong truyền đạt thông tin di truyền, Zacharias và những người dân khác nhận định rằng DNA là vật liệu di truyền.

Cách nhìn này đã ngự trị cho tới tận đầu trong những năm 1900, lúc các thí nghiệm nhuộm màu bị giảng giải sai trái dẫn tới Tóm lại sai rằng lượng DNA thay đổi thất thường trong các tế bào. Bởi vì các tế bào được tin rằng chứa một lượng một mực các chất lưu giữ những hướng dẫn di truyền của nó, các quan sát sai trái đưa đến một sự bác bỏ bỏ ý ý kiến DNA mang thông tin di truyền.

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

Khối cấu trúc hóa học của tất cả protein và axit nucleic đã được xác định từ trên đầu trong những năm 1900, và các protein được trao 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 nhiều tổng 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 tái diễn, 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 trùng

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.

Xem Thêm : Purchasing Department Là Gì? Chức Năng và Trách Nhiệm

Nền tảng được đưa ra vào năm 1928 bởi nhà vật lý người Anh Frederick Griffith, người nghiên cứu một chủng vi trùng gây bệnh được gọi là “pneumococcus,” gây ra bệnh viêm phổi gây chết trên động vật hoang dã, Griffith khám phá ra rằng vi trùng 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 tự nhiên thạch lỏng, chủng S sinh sản ra những khuẩn lạc nhẵn và bóng bởi dịch tiết, áo polysaccharide của mỗi tế bào tiết ra, trong lúc chủng R không có khả năng sinh sản lớp dịch tiết và vì thế khuẩn lạc tạo ra có viền xung quanh không được nhẵn.

Khi tiêm vào chuột, chủng vi trùng S làm phát khởi 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 trùng trước sự tiến công của khối hệ thống miễn nhiễm của con chuột.

Tuy nhiên một trong những khám phá thú vị nhất của Grifftith là chứng viêm phổi cũng luôn tồn tại thể được tạo ra bằng việc tiêm vào động vật hoang dã 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 phẫu thuật các động vật hoang dã bị tiêm hỗn hợp chứa chủng vi trùng R sống và chủng S đã chết, ông ta tìm ra rằng loài vật chứa đầy chủng vi trùng S sống. Từ chỗ các loài vật không bị tiêm bất kỳ tế bào nào của chủng S sống, ông Tóm lại rằng chủng vi trùng không khiến bệnh R đã bằng một cách nào đó chuyển thành chủng vi trùng S gây bệnh được bởi một chất biểu hiện trong các vi trùng chủng S bị giết bởi nhiệt cũng được tiêm vào khi đó.

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

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

Các nhà nghiên cứu này theo đuổi các nghiên cứu về việc biến nạp của vi trùng bằng thắc mắc thành phần nào của vi trùng S đã chết bởi nhiệt thực sự chịu trách nhiệm so với hoạt động biến nạp này.

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

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

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

Nhưng bất kể tính kiên cố của nhiều thí nghiệm, sự quy kết vai trò di truyền cho DNA vẫn không được chấp thuận đồng ý ngay tức tốc. Sự hoài nghi một phần là vì 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 thắc mắc liệu thông tin di truyền trong vi trùng có bất kể thứ gì để làm với sự di truyền ở các thân thể khác. Tuy nhiên hồ hết các nghi vấn sót lại được làm thỏa mãn 8 năm tiếp theo 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 truyền nhiễm vi trùng. Chúng là đối tượng người sử dụng của nghiên cứu khoa học từ trong những năm 1930, và hồ hết các hiểu biết của tất cả chúng ta về di truyền phân tử tới từ các thí nghiệm có liên quan tới các viruses.

Một trong những nghiên cứu thâm thúy nhất về các phages truyền nhiễm vi trùng Escherichia coli là thực khuẩn thể T2. Trong quá trình truyền nhiễm, virus này tiến công vào mặt bằng tế bào vi trùng và chuyển vật liệu vào tế bào. Ngay sau đó, tế bào vi trùng mở màn sinh sản hàng ngàn bản sao mới của virus.

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

Thực 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 thắc mắc này. Chỉ có hai khả năng có thể tồn tại bởi virus T2 được tạo nên chỉ có thể từ hai loại phân tử : DNA và protein.

Xem Thêm : Ngành luật tiếng Anh là gì?

Để phân biệt hai khả năng này, hai ông này đã đã chiếm lĩnh tiện lợi do thực tế là các protein của virus T2, như hồ hết các protein khác, chứa nhân tố sulfure (trong methionine và cysteine) nhưng không có phospho, trong lúc DNA virus chứa phospho (trong các liên kết đường – phosphate của nó) nhưng lại không có sulfure.

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

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

Họ mở màn thí nghiệm bằng việc trộn phage nhiễm xạ với những tế bào vi trùng nguyên vẹn và được chấp nhận các hạt phages tiến công vào mặt bằng của tế bào vi trùng và truyền 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 mặt bằng tế bào vi trùng bằng phương pháp làm khuấy động dịch huyền phù trong một máy trộn thông thường và thu lại các tế bào vi trùng bằng máy li tâm.

Họ sau này đã đo độ phóng xạ trong dịch lỏng nổi phía trên và trong đám nhỏ của nhiều vi trùng ở đáy ống thử.

Kết quả chỉ ra rằng hồ hết (65%) 32P tồn tại với những tế bào vi trùng, trong lúc phần lớn (80%) của 35S được phóng thích ra môi trường tự nhiên xung quanh (Hình 2b).

Do 32P lưu lại DNA virus còn 35S lưu lại protein virus, từ đó Hershey và Chase Tóm lại rằng DNA, chứ không phải protein, đã được chuyển vào các tế bào vi trùng ; do đó DNA phải thực hiện chức năng như thể vật liệu di truyền của phage T2.

Tóm lại này nhận được sự ủng hộ lớn từ quan sát trong tương lai : lúc các vi trùng nhiễm xạ bị truyền 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 tất cả chúng ta đã mô tả, vào đầu trong những năm 1950 hồ hết các nhà sinh vật học đi đến chấp thuận đồng ý cái nhìn rằng các gen được tạo ra từ DNA, không phải protein.

Nhưng không may thay, Oswald Avery, người dân có vai trò lớn số 1 so 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 danh nhận được. Ủy ban Nobel đã đề cập tới đóng góp của Avery nhưng đã quyết định rằng ông ấy chưa làm đủ.

Có nhẽ bản tính khiêm tốn và nhún nhường của Avery là nguyên nhân của việc thiếu xác nhận đó. Sau lúc Avery mất năm 1955, nhà hóa sinh vật 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.”

Vì sao thí nghiệm của Hershey – Chase nhận được sự đón nhận nồng nhiệt hơn thí ngiệm biến nạp của Avery trên vi trùng trước đó, dù cho tất cả hai đều đưa tới cùng một Tóm lại?

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

Lời kết: như vậy, qua nội dung bài viết này, các bạn đã sở hữu thêm nhiều thông tin thú vị về DNA – vật chất di truyền của việc sống. Và để đã chiếm lĩnh Tóm lại này, các nhà sinh vật học đã có một đoạn đường dài, liên tục và kế tiếp nhau để cùng khám phá ra đơn vị cơ bản của di truyền học.

Tham khảo: Sách Becker’s 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 chỉnh sửa)Cố vấn khoa học: TS. Đặng Trần Hoàngwww.tapchisinhhoc.com