'Cuộc du hành kỹ thuật' truy tìm nguồn gốc của sự sống

RNA chứ không phải DNA:

Khi quá trình luân chuyển phòng thí nghiệm của Doudna kết thúc vào mùa xuân năm 1986, bà đã hỏi Jack Szostak rằng liệu mình có thể tiếp tục thực hiện nghiên cứu tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của ông không.

Szostak đồng ý, nhưng thêm một lời cảnh báo. Ông sẽ không còn tập trung vào DNA trong nấm men nữa. Trong khi các nhà hóa sinh khác đang hào hứng với việc giải trình tự DNA cho Dự án Bộ gen Người, ông quyết định chuyển sự chú ý của phòng thí nghiệm sang RNA, thứ mà ông tin là có thể tiết lộ bí mật về bí ẩn lớn nhất trong tất cả các bí ẩn sinh học: nguồn gốc của sự sống.

Ông nói với Doudna, ông bị hấp dẫn bởi những khám phá mà Cech và Altman đã thực hiện về cách một số RNA nhất định có sức mạnh xúc tác của các enzyme. Mục tiêu của ông là xác định xem liệu những ribozyme này có thể sử dụng sức mạnh này để tái tạo hay không.

“Đoạn RNA này có các bộ phận hóa học để tự sao chép không?” Ông hỏi. Ông cho rằng đó nên là trọng tâm trong luận án tiến sĩ của bà.

Bà bị nhiễm sự nhiệt tình của Szostak và đăng ký trở thành học viên cao học đầu tiên trong phòng thí nghiệm của ông nghiên cứu về RNA. Bà nhớ lại: “Khi được dạy về sinh học, chúng tôi đã học về cấu trúc và mã của DNA, và chúng tôi đã học về cách protein thực hiện tất cả các công việc nặng nhọc trong tế bào, và RNA được coi là trung gian buồn tẻ, giống như một người quản lý cấp trung.

Tôi khá ngạc nhiên khi biết rằng có một thiên tài trẻ tuổi, Jack Szostak, ở Harvard, người muốn tập trung 100% vào RNA vì anh ấy nghĩ rằng đó là chìa khóa để hiểu nguồn gốc của sự sống.”

Đối với cả Szostak, người đã thành danh và Doudna, người lúc này vẫn chưa chuyển sang tập trung vào RNA, là một rủi ro. Szostak nhớ lại: “Thay vì đi theo số đông để nghiên cứu DNA, chúng tôi cảm thấy mình đang đi tiên phong trong một điều gì đó mới mẻ, khám phá một biên giới mọi người có phần ngó lơ, nhưng tất cả chúng tôi đều cho rằng rất thú vị.” Điều này có từ rất lâu trước khi RNA được coi là một công nghệ can thiệp vào sự biểu hiện của gen hoặc tạo ra các chỉnh sửa đối với gen của con người. Szostak và Doudna theo đuổi chủ đề này chỉ vì tò mò về cách thức hoạt động của tự nhiên.

Szostak có một nguyên tắc xuyên suốt: Không bao giờ làm điều hàng nghìn người khác đang làm. Điều đó đã hấp dẫn Doudna. Bà nói:

“Nó giống như khi tôi ở trên sân bóng và muốn chơi ở vị trí mà những đứa trẻ khác không chơi. Tôi học được từ Jack rằng có nhiều rủi ro hơn nhưng cũng có nhiều phần thưởng hơn nếu bạn mạo hiểm vào một lĩnh vực mới.”

Đến lúc này, bà biết rằng manh mối quan trọng nhất để hiểu hiện tượng tự nhiên là tìm ra cấu trúc của các phân tử liên quan. Điều đó đòi hỏi bà phải học một số kỹ thuật mà Watson, Crick và Franklin đã sử dụng để làm sáng tỏ cấu trúc của DNA. Nếu bà và Szostak thành công, đó có thể là một bước quan trọng trong việc trả lời một trong những câu hỏi lớn nhất trong số tất cả các câu hỏi sinh học, có lẽ là lớn nhất: Sự sống bắt đầu như thế nào?

Nguồn gốc của sự sống

Sự hào hứng của Szostak về việc tìm hiểu sự sống bắt đầu như thế nào đã dạy cho Doudna bài học lớn thứ hai, ngoài việc chấp nhận rủi ro bằng cách chuyển sang lĩnh vực mới: Đặt những câu hỏi lớn. Mặc dù Szostak thích đi sâu vào chi tiết của các thí nghiệm, ông cũng là một nhà tư tưởng vĩ đại, một người không ngừng theo đuổi những tìm hiểu thực sự sâu sắc.

Ông hỏi Doudna: “Còn lý do nào khác để làm khoa học cơ chứ?”. Đó là câu hỏi đã trở thành một trong những nguyên tắc chỉ đạo của riêng bà.

Có một số câu hỏi thực sự vĩ đại mà tâm trí phàm nhân của chúng ta có thể không bao giờ trả lời được: Vũ trụ bắt đầu như thế nào? Tại sao lại có một cái gì đó chứ không phải không có gì? Ý thức là gì? Một số câu hỏi khác có thể được chinh phục vào cuối thế kỷ này: Liệu vũ trụ có xác định được không? Liệu chúng ta có ý chí tự do? Trong số những vấn đề thực sự lớn, câu hỏi mà chúng ta tiến gần được đến lời giải nhất có lẽ là sự sống bắt đầu như thế nào.

Giáo lý trung tâm của sinh học yêu cầu sự hiện diện của DNA, RNA và protein. Bởi vì không chắc cả ba thứ này đều xuất hiện cùng một lúc từ nồi hầm nguyên thủy, một giả thuyết đã nảy sinh vào đầu những năm 1960 - được Francis Crick danh tiếng và những người khác xây dựng một cách độc lập - rằng có một hệ thống tiền thân đơn giản hơn.

Giả thuyết của Crick là ngay từ rất sớm trong lịch sử Trái Đất, RNA đã có thể tự tái tạo. Điều đó đặt ra câu hỏi về nguồn gốc của RNA đầu tiên. Một số suy đoán nó đến từ không gian vũ trụ. Nhưng câu trả lời đơn giản hơn có thể là Trái Đất sơ khai chứa các khối cấu tạo hóa học của RNA và nó không yêu cầu bất cứ thứ gì khác ngoài việc trộn ngẫu nhiên chúng với nhau. Năm mà Doudna gia nhập phòng thí nghiệm của Szostak, nhà hóa sinh Walter Gilbert đã gọi giả thuyết này là “thế giới RNA”.

Một đặc tính thiết yếu của các sinh vật là chúng có một phương pháp để tạo ra nhiều sinh vật giống với chính chúng: sinh sản. Do đó, nếu bạn muốn đưa ra lập luận rằng RNA có thể là phân tử tiền thân dẫn đến nguồn gốc của sự sống, việc chỉ ra cách nó có thể tự nhân bản sẽ rất hữu ích. Đây là dự án mà Szostak và Doudna bắt tay vào thực hiện.

Doudna đã sử dụng nhiều chiến thuật để tạo ra một loại enzyme RNA, hay còn gọi là ribozyme, có thể ghép các đoạn RNA nhỏ lại với nhau. Cuối cùng, bà và Szostak đã có thể tạo ra một ribozyme có thể ghép nối một bản sao của chính nó. Bà và Szostak nói về điều này trong một bài báo năm 1998 trên Tạp chí Nature. Nhà hóa sinh Richard Lifton sau đó gọi bài báo này là một “cuộc du hành kỹ thuật”.

Doudna đã trở thành một ngôi sao đang lên trong lĩnh vực nghiên cứu RNA hiếm hoi. Đó phần nào vẫn là vùng nước đọng của thế giới sinh học, nhưng trong hai thập kỷ tiếp theo, sự hiểu biết về cách hoạt động của các sợi RNA nhỏ đã ngày càng trở nên quan trọng, đối với cả lĩnh vực chỉnh sửa gen và cuộc chiến chống lại coronavirus.