Năm 2000, Erez Lieberman Aiden mới là một sinh viên vừa tốt nghiệp tại Trường ĐH Princeton (Mỹ) khi các nhà khoa học tuyên bố họ đã xếp chuỗi thành công bộ gen người đầu tiên, giúp tìm ra thông tin về điều gì đang xảy ra trong mỗi tế bào của con người. Nhưng Aiden băn khoăn sẽ như thế nào để nhìn thấy những gì đang xảy ra trong mỗi tế bào. Làm sao mà bộ gen khổng lồ này có thể trải dài tới 2m nếu bạn trải nó ra từ cuộn dây rộng 5 micron trong nhân, thực sự truyền đi hoạt động?
Kỹ thuật lập bản đồ gen mà Aiden và các đồng nghiệp sử dụng đã bắc những cây cầu vượt qua khoảng trống cốt lõi của tri thức - giữa những gì đi từ cấp độ nhỏ nhất của gen di truyền (đường xoắn ốc đôi của DNA và các cặp đôi nucleotide (base pair)) và cấp độ lớn nhất (cách mà DNA tập hợp thành 23 nhiễm sắc thể chứa phần lớn thông tin bộ gen người). Ở cấp trung gian, về trật tự hàng nghìn hay hàng triệu bậc các cặp đôi nucleotide (megabase) vẫn còn mù mờ.
Vì bộ gen cuộn lại, các cặp đôi nucleotide tại một đầu có thể gần với các cặp đôi khác ở đầu cuối. Lấy từ công trình được bắt đầu từ những năm 1990, Aiden và một số nhà khoa học có thể nhận diện được ra cặp đôi nucleotide nào cuộn tròn nối tiếp cặp khác. Từ đó, họ tái xây dựng bộ gen theo 3 chiều.
 Erez Lieberman-Aiden, người lập bản đồ gen người 3D. |
Mật mã gỡ rối
Erez Lieberman Aiden là một thiên tài trong nhiều lĩnh vực: vật lý polymer, công nghệ gen và máy tính. Là người mang hai dòng máu Romania (từ bố) và Hungary (từ mẹ), ông sinh ra ở Brooklyn, Mỹ. Ông lập trình máy tính từ khi lên 7 tuổi. Ông và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp đột phá cho xếp chuỗi gen 3D được gọi là Hi-C. Đây là bước tiến lớn nhằm giải quyết điều bí ẩn làm thế nào mà bộ gen người, dài 2m và gồm 3 tỷ các ký tự chữ cái hoá chất được gập lại để vừa vào nhân tế bào. Phát minh này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về bệnh tật. Ngoài ra, ông còn phát minh ra iShoe, một dây buộc giày với bộ cảm ứng có thể chẩn đoán các vấn đề về thăng bằng ở người cao tuổi, nhằm giảm nguy cơ bị ngã và dập hông. Ông đã lấy ý tưởng trên từ khi còn làm việc ở NASA trong một dự án giúp các phi hành gia đạt được thăng bằng sau khi quay trở về từ vũ trụ. |
Một giả thuyết mà Aiden và các đồng nghiệp đang theo đuổi là việc giải mã các thông tin di truyền trong một tế bào bất kỳ đã được sắp xếp trong lõi như một tờ báo. Tất cả thông tin được chứa bên trong nhưng một số tiêu đề đã được lựa chọn cho lên trang nhất. Như vậy một bộ gen trong tế bào gan có thể được làm cho thông tin tương ứng và quan trọng nhất được tiếp cận nhất, trong khi đó bộ gen của một tế bào giác mạc sẽ được gập theo cách khác.
Qua nghiên cứu của họ trong vòng vài năm qua, Aiden cùng cộng sự còn phát hiện ra rằng ở cấp độ một megabase, một triệu cặp đôi nucleotide, bộ gen người được quấn quanh nó thành một cấu trúc được biết tới như một khối cầu phân dạng. Mặc dầu khối cầu này trông như một mớ hỗn độn, Aiden đã phát hiện ra rằng các dữ liệu phân tích vùng lân cận trên thực tế là một cấu trúc được tổ chức tinh vi, có thể mở ra mà không bị rối.
“Mặc dầu nghe có vẻ trừu tượng”, Aiden viết trong tập san khoa học, “ dễ dàng để giải thích về khối cầu phân dạng này cho các sinh viên sau tốt nghiệp bởi nó gần giống với loại thực phẩm chúng ta đều có thể mua: món mỳ Ramen. “Khi chưa được nấu chín, 30m mỳ cuộn lại với nhau thành một khối nhỏ, đan xen vào nhau mà không bị rối”.
Hình dạng và chức năng
Tuy nhiên, làm thế nào mà cấu trúc và thay đổi trong cấu trúc quyết định hoạt động tế bào vẫn còn chưa rõ ràng. “Tôi nghĩ hầu như không có ai nghi ngờ mối liên hệ hình dạng - chức năng này tồn tại”. William Noble, một nhà di truyền học và khoa học máy tính tại Trường ĐH Washington, người đã giúp tạo ra bản đồ bộ gen men bia 3D năm ngoái cho biết. “Chính xác là hai yếu tố này liên quan với nhau như thế nào và mối quan hệ nhân quả này sẽ dẫn theo hướng nào”.
Xác minh được liệu hình dạng có đi kèm chức năng hay ngược lại sẽ giúp trả lời các câu hỏi lớn khác như liệu “khiếm khuyết về cấu trúc gen có dẫn tới bệnh tật” hay liệu các yếu tố phát triển và môi trường có thúc đẩy bộ gen “thay đổi cấu trúc để đạt được các chức năng gen tương ứng”, Zhijun Duan, Viện Tế bào gốc và Y học tái tạo Washington, đồng tác giả của công trình gen men bia 2010 lưu ý.
Aiden và cộng sự hiện đang nghiên cứu để cải tiến giải pháp đối với các bản đồ và đẩy nhanh quá trình xếp chuỗi nhằm trả lời một vài trong số những câu hỏi này. Tuy rất đáng tự hào nhưng vẫn có sự hoài nghi liệu cách của Aiden “có hy vọng mang lại cho chúng ta hiểu biết sâu tường tận chẳng hạn như, sự tác động qua lại riêng rẽ trung gian các diễn biến thường nhật của gen cụ thể”, ông cho biết, “Để làm được điều đó, chúng ta cần phải chờ đợi các công nghệ mới hơn”.
Chúng ta có thể sẽ không phải chờ đợi quá lâu. Như Duan đã đề cập “lĩnh vực này đang thu hút sự nhập cuộc của các nhà khoa học khắp nơi và nó đang đạt tiến bộ rất nhanh”.
Bảo Linh (Theo Huffingtopost, Spectrum)