Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học, quá trình sao chép của một DNA được ghi hình lại

Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học, một nhóm nghiên cứu đã quay lại được quá trình sao chép của những phân tử DNA đơn lẻ. Đây là bằng chứng cho thấy khoa học kỹ thuật của con người đã tiến xa tới mức nào.

Nhưng ở phía ngược lại, đoạn phim đầu tiên này cũng khiến các nhà khoa học phải quay về kiểm tra sự đúng đắn của một lý thuyết cũ liên quan đến DNA. Trong khi chờ đợi kết quả, bạn có thể nghi ngờ một vài kiến thức trong sách giáo khoa sinh học thực sự đã sai.

Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học, quá trình sao chép của một DNA được ghi hình lại

Đoạn phim được quay trong thời gian thực, cho thấy sự nhân đôi của DNA chứa đựng quá nhiều yếu tố ngẫu nhiên. Được công bố trên tạp chí Cell, đoạn phim khiến các nhà khoa học phải đặt lại câu hỏi: Đột biến đã được kiểm soát như thế nào?

Đó là một sự thay đổi mô hình lý thuyết thực sự, thứ mà sẽ làm yếu đi những gì được viết trong sách giáo khoa, tác giả nghiên cứu Stephen Kowalczykowski đến từ Đại học California cho biết.

Cấu trúc xoắn kép của DNA bao gồm hai sợi vật chất di truyền kết lại với nhau. Mỗi sợi được tạo thành từ 4 đơn phân nucleotide: guanine, thymine, cytosine và adenine (G, T, C, A). Quá trình nhân đôi của DNA bắt đầu, khi một enzyme có tên là helicase giải xoắn DNA, tách nó ra thành hai sợi đơn.

Sau đó, đến lượt một enzyme thứ hai tham gia vào quá trình: Primase tạo nên đoạn mồi quan trọng ở một đầu DNA. Chỉ khi có đoạn mồi này, những quá trình hoàn chỉnh tiếp theo mới có thể diễn ra.

Emzyme thứ 3 là DNA polymerase gắn liên tục phía sau đoạn mồi các nucleotide tự do trong môi trường, theo nguyên tắc bổ sung các cặp A-T, G-C. Nhờ đó, sau khi cả hai nhánh của DNA cũ được lấp đầy, bạn sẽ có được 2 DNA giống hệt nhau.

Và đây là đoạn phim thực về quá trình trừu tượng này:

Đoạn video đầu tiên ghi lại cảnh nhân đôi của DNA trong thời gian thực

Trên thực tế, xoắn kép của DNA hình thành từ hai sợi có chiều ngược nhau. Trong quá trình nhân đôi, nucleotide chỉ gắn vào các sợi này theo một chiều. Như vậy, lẽ ra sẽ có một sợi được nhân bản trước và một sợi chậm lại phía sau.

Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng: DNA polymerase trên hai sợi bằng cách nào đó đã phối hợp với nhau trong suốt quá trình sao chép. Do đó, chúng được nhân bản đồng thời và tránh được đột biến.

Nhưng đoạn video được quay lại ngày hôm nay không thể hiện một sự phối hợp nào giữa các DNA polymerase. Bằng một cơ chế bí ẩn nào đó, hai sợi nhân lên độc lập mà vẫn giữ tốc độ với nhau rất nhịp nhàng.

Bằng một cơ chế bí ẩn nào đó, hai sợi của DNA nhân lên độc lập mà vẫn giữ tốc độ với nhau rất nhịp nhàng.

Để quay lại được thước phim vô cùng quý giá này, các nhà khoa học đã chiết xuất từng phân tử DNA đơn lẻ từ khuẩn E. coli. Họ đặt chúng trên mặt kính, sau đó nhỏ vào một dạng thuốc nhuộm đặc biệt.

Loại thuốc này chỉ bám lên những đoạn DNA xoắn đôi mà không bám vào sợi đơn. Vì vậy, mỗi khoảnh khắc tách đôi và tạo xoắn kép trong quá trình nhân đôi của DNA đều bị camera bắt được.

Mặc dù DNA ở vi khuẩn và DNA của con người là khác nhau, cả hai đều có chung một quy trình nhân đôi giống nhau. Các nhà khoa học nói rằng cảnh quay có thể tiết lộ rất nhiều điều về những gì thực sự diễn ra trong cơ thể chúng ta.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy tốc độ sao chép trung bình của hai sợi là bằng nhau. Nhưng trong suốt quá trình đó, mỗi sợi đều có nhiều khoảnh khắc dừng lại đáng ngạc nhiên. Chúng chẳng có gì gọi là có liên kết với nhau.

Có những giai đoạn, sợi tổng hợp chậm dừng lại trong khi sợi tổng hợp nhanh vẫn tiếp tục. Một giai đoạn được quan sát cho thấy tốc độ tổng hợp của một sợi gấp tới 10 lần sợi còn lại. Những bằng chứng gợi ý hai nửa quá trình dường như độc lập với nhau.

Nhà nghiên cứu Kowalczykowski cho biết: “Chẳng có sự phối hợp nào giữa hai nhánh của DNA. Chúng hoàn toàn độc lập và tự phát triển”.

Lý thuyết về quá trình nhân đôi của DNA

Câu hỏi được đặt ra lúc này là nếu hai sợi của DNA hoạt động độc lập như trong đoạn phim, làm thế nào để chúng ta giải thích được sự phối hợp nhịp nhàng giữa chúng?

Điều bí mật này chính là yếu tố "đứng sau cánh gà” giúp giảm thiểu các đột biến xảy ra cho sinh vật. Nó biết lúc nào cần nhấn phanh, lúc nào cần tăng tốc độ cho mỗi sợi DNA tổng hợp.

Trong tương lai, nhất định chúng ta sẽ có được nhiều cảnh quay về DNA nhân đôi hơn nữa. Hi vọng chúng sẽ giúp các nhà khoa học hiểu hơn về quá trình quan trọng này của sinh vật.

Riêng với những thước phim đầu tiên này, các nhà khoa học đã có được một lời nhắc nhở quan trọng:

Con người luôn muốn giải thích tự nhiên bằng những quy luật. Nhưng đôi khi, những quy luật dường như không tồn tại trong thực tế. Từ vũ trụ rộng lớn, vô tri cho đến những DNA nhỏ bé trong cơ thể sinh vật, chúng vẫn thường hỗn loạn hơn những gì chúng ta tưởng.

Tham khảo ScienceAlert