Double-helix Structure | Vietnamen's Weblog

Trong các phần trước, ta đã biết phân tử DNA là nơi lưu giữ thông tin di truyền (nghĩa là chứa genes). DNA là một polymer, được tạo bởi các monomer là các nucleotides. Có 4 loại nucleotides: A, T, G, C. Mỗi gene là một đoạn DNA tạo bởi chuỗi các nucleotides nhưng vì chúng quá nhỏ, chưa có một kính hiển vi nào cho phép quan sát cấu trúc thực của một phân tử DNA. Vì thế, không ai biết các đơn phân nucleotides này sẽ kết hợp với nhau như thế nào để có thể mang một lượng lớn thông tin di truyền cần thiết để tạo ra một cá thể sống. Đó được gọi là bí ẩn của cuộc sống (the secret of life). Hay nói một cách chính xác là cấu trúc của DNA vẫn là một ẩn số vào thời điểm đó (1940s-1950s).

Vào thời điểm đó, các mô hình thực nghiệm hay lí thuyết được nhiều nhà khoa học đề ra về cấu trúc của DNA đều không chính xác. Như đã đề cập trong phần trước, dù Levene đã đúng khi cho rằng các nucleotide liên kết theo nguyên tắc đầu 5′ đến 3′ (đường-phosphate-đường-phosphate-…), nhưng quan điểm về lý thuyết “tetranucleotide block” của ông là một sai lầm. Và Chargaff đã chỉnh sửa khiếm khuyết đó với quan điểm số Adenine = số Thymine, số Guanine = số Cytosine (tỉ lệ A = T, G = C).

Vào thời điểm đó, một nhà khoa học khác tên là Linus Pauling dùng một kĩ thuật mới gọi là tinh thể học tia X (X-ray crystallography) để khám phá cấu trúc protein. Hình ảnh thu được từ kĩ thuật này là các mẫu nhiễu xạ (diffraction pattern), và bằng các kĩ thuật tính toán phức tạp nhờ máy tính có thể giúp xây dựng lại cấu trúc 3D của phân tử ở dạng tinh thể. Kết quả thành công thu được cho thấy viễn cảnh có thể dùng kĩ thuật X-ray crystallography để xem xét cấu trúc của DNA. Tuy nhiên, không dựa vào thực nghiệm, Watson và Crick đưa ra những suy luận riêng của mình và xây dựng mô hình cấu trúc phân tử một cách trực quan dùng các que cùng các quả cầu nhỏ (stick-and-ball models) – mỗi quả cầu nhỏ đại diện cho một đơn phân.

(stick-and-ball model)

Cấu trúc protein có dạng xoắn như cái mở nút chai (corkscrew-shaped structure) – hay còn gọi là alpha-helix (xoắn alpha)

Để kiểm chứng cho những suy luận của mình, Francis và Watson cùng dựa vào thông tin từ các mẫu nhiễu xạ để tìm lời giải cho cấu trúc của DNA. Và nhờ may mắn, họ đã có thể kiểm chứng được sự đúng đắn của mô hình đưa ra khi dựa vào hình ảnh các mẫu nhiễu xạ tia X sau khi chiếu vào phân tử DNA ở dạng muối (salt of DNA – thời đó chưa tạo được tinh thể DNA) nhờ vào kĩ thuật X-ray crystallography (Bức ảnh này gốc là do Rosalind Franklin chụp tại King’s College ở London, và Wilkins là người cung cấp cho Watson & Crick).

Vào thời đó, có 2 bức ảnh về mẫu nhiễu xạ của 2 sợi DNA khác nhau, đều do Rosalind Franklin và Maurice Wilkins chụp, xem ở hình sau. Franklin thì tập trung vào bức ảnh đầu do nó có vẻ phức tạp hơn và bà nghĩ nó có nhiều thông tin hơn, trong khi Wilkins thì chọn bức ảnh sau do tính đối xứng đơn giản của nó và bức ảnh này đã được đưa cho Watson & Crick xem để rồi họ đã có thể xác định tính chính xác của mô hình họ đưa ra.

(B form DNA taken by Rosalind Franklin, 1952)

Trong hình ảnh chụp X-ray crystallography, ta thấy một chữ X mờ (fuzzy ‘X’) ở giữa phân tử, đó là mẫu cho thấy cấu trúc xoắn ốc (helical structure). Vì số luợng nucleotides tuân theo tỉ lệ A = T, và G = C, Watson đã có thể đưa ra qui luật bắt cặp (base pairing), nghĩa là A luôn liên kết với T, G liên kết với C. Đồng thời ông còn phát hiện ra một điều quan trọng: chiều dài liên kết A-T bằng chính xác với chiều dài liên kết G-C. Nếu vậy, mỗi bậc thang trong chuỗi xoắn kép sẽ có chiều dài bằng nhau, và bộ khung đường-phosphate sẽ ổn định. Lập luận này càng được củng cố vì mẫu nhiễu xạ rất cân đối, chứng tỏ chiều xoắn ổn định, hay đường kính của ốc xoắn được giữ nguyên.

Nói tóm lại, James Watson và Francis Crick đã thành công với khám phá cấu trúc 3 chiều của một phân tử DNA: đó là chuỗi xoắn kép có dạng hình thang (ladder) cuộn vào nhau theo cùng 1 trục với các bậc thang (rungs of the ladder) chính là liên kết giữa các cặp bazơ chứa nitrogen (base pairing: A-T, G-C) ở 2 chuỗi. Hai đường thân của thang là luân phiên liên kết giữa gốc phosphate và phân tử đưởng deoxyribose theo chiều 5′-3′. Hướng xoắn là hướng đi lên theo qui tắc bàn tay phải (right-hand double helix) nên còn gọi là B-DNA. Một số nhà khoa học quan điểm tồn tại Z-DNA (hay left-hand twisted DNA) nhưng nó rất hiếm và chỉ là “in vivo” (tồn tại trong phòng TN). Tuy nhiên, số lượng bài báo sai lầm khi đề cập đến Z-DNA cũng không phải là ít và Tom Schneider tại NIH đã sưu tầm chúng tại http://www.lecb.ncifcrf.gov/~toms/LeftHanded.DNA.html.

Cấu trúc B-DNA

James Watson và Francis Crick công bố kết quả trên Nature, chỉ nêu ra suy luận và không có bằng chứng thực nghiệm nào cả. Đồng thời, không có lời cảm ơn nào đối với Franklin và Wilkins ngoại trừ câu: “We have also been stimulated by a knowledge of the general nature of the unpublished results and ideas of Dr. M.H.F. Wilkins, Dr. R.E. Franklin, and their co-workers at King’s College London“. Frankiln chết do bệnh ung thư năm 1958, nên chỉ có 3 người nhận giải Nobel vào năm 1962 vì họ không trao cho người đã chết (posthumously).

(cấu trúc triple-helix do Pauling đề xuất)

Về phần nhà khoa học Pauling, sau khi khám phá ra cấu trúc của protein, Pauling cũng chú ý đến DNA, nhưng rất tiếc là cấu trúc ‘triple helix‘ của ông đưa ra không chính xác. ‘Triple helix’ nghĩa là 3 chuỗi xoắn xen kẽ vào nhau. Pauling cho gốc phosphate làm lõi (core) của mỗi chuỗi xoắn với các gốc nitrogen hướng ra ngoài, và 3 chuỗi xoắn sẽ cuộn vào nhau để làm thành phân tử DNA. Sai lầm của Pauling là quên rằng các nguyên tử Oxi trong gốc phosphate tích điện âm (), nên khi nằm ở giữa, và các gốc phosphate này chồng lên nhau, chúng sẽ đẩy nhau, không thể tạo ra một phân tử bền vững.

Sau này, Watson đóng vai trò quản lí dự án Human Genome Project, nhằm giải mã toàn bộ bộ gene của con người chứa trong human DNA.

TERM:

• X-ray crystallography: tinh thể học tia X là kĩ thuật nhằm nghiên cứu cấu trúc 3 chiều của một phân tử bằng cách tạo ra tinh thể từ phân tử đó, sau đó dùng tia X chiếu vào và thu hỉnh ảnh nhiễu xạ của chúng. Sau đó, dùng máy tính để tính toán ra cấu trúc của phân tử dựa vào hình ảnh nhiễu xạ thu được.

SUMMARY:

Watson và Crick là 2 người đã phát hiện ra cấu trúc DNA. Cấu trúc phân tử DNA là chuỗi xoắn kép với chiều xoắn theo chiều tay phải, hay còn gọi là B-DNA. Z-DNA là thuật ngữ dùng để cấu trúc DNA xoắn theo chiều tay trái, nhưng thực tế không tồn tại, ngoại trừ trong môi trướng thí nghiệm.

ĐỌC THÊM:

X-ray crystallography

LINK:

1. http://osulibrary.orst.edu/specialcollections/coll/pauling/dna/papers/msna-pg01-xl.html (liên kết đến bài báo của Watson-Crick)
2. http://profiles.nlm.nih.gov/SC/B/B/Y/W/_/scbbyw.pdf (phiên bản PDF của bài báo tại Nature)
3. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/2804545.stm (giới thiệu về thành công của Watson-Crick)
4. http://www.ba-education.demon.co.uk/for/science/dnamain.html (lược sử ra đời của phát hiện cấu trúc ADN)
5. http://chemistry.library.wisc.edu/subject-guides/x-ray-crystallography.html (chứa các liên kết đầy đủ về database, online learning liên quan đến Tinh thể học tia X)
6. http://www-structmed.cimr.cam.ac.uk/Course/Overview/Overview.html
7. http://nobelprize.org/educational_games/medicine/dna_double_helix/readmore.html