Barbara McClintock, một trong những nhà di truyền học người Mỹ vĩ đại nhất của thế kỷ 20, đã để lại dấu ấn không thể phai mờ trong lịch sử khoa học với khám phá mang tính bước ngoặt về "gen nhảy" hay transposon. Công trình nghiên cứu của bà, khởi nguồn từ những quan sát tỉ mỉ về nhiễm sắc thể ngô, đã thách thức quan niệm truyền thống về gen và mở ra một chương mới trong lĩnh vực di truyền học.

Bà đã dành cả cuộc đời mình để nghiên cứu tế bào học di truyền của cây ngô. Những khám phá của bà, đặc biệt là về "gen nhảy", đã vượt xa tầm hiểu biết của thời đại, đến mức bị giới khoa học đương thời phớt lờ trong suốt hơn một thập kỷ. Thế nhưng, với niềm tin mãnh liệt vào bản thân và những bằng chứng khoa học thu thập được, McClintock đã kiên trì theo đuổi con đường nghiên cứu của mình, để rồi tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực di truyền học.

Barbara McClintock trong phòng thí nghiệm tại Cold Spring Harbor, New York, ngày 26/3/1947. Nguồn: Thư viện Hiệp hội Triết học Hoa Kỳ

Hành trình đơn độc của một nhà khoa học nữ

Sinh ra tại Hartford, Connecticut, Mỹ, một gia đình bảo thủ, trước đó, McClintock suýt chút nữa đã không được học đại học. Mẹ bà cho rằng việc học hành cao sẽ khiến con gái khó lấy chồng. May mắn thay, cha bà đã ủng hộ McClintock theo đuổi giấc mơ khoa học. Năm 1919, cô gái 17 tuổi ghi danh vào Đại học Nông nghiệp Cornell. Tại đây, McClintock không chỉ học tập xuất sắc mà còn tích cực tham gia các hoạt động ngoại khóa. Bà tham gia chính phủ sinh viên, chơi banjo trong ban nhạc jazz, và đặc biệt, bà đã tìm thấy niềm đam mê cháy bỏng với di truyền học - một lĩnh vực còn rất non trẻ vào thời điểm đó.

McClintock từng chia sẻ: "Không có hai cây ngô nào giống hệt nhau. Chúng đều khác biệt, và bạn phải nhận ra sự khác biệt đó. Tôi bắt đầu với cây con và không muốn rời mắt khỏi nó. Tôi không cảm thấy mình thực sự hiểu câu chuyện nếu không theo dõi cây trồng trong suốt quá trình sinh trưởng. Vì vậy, tôi biết từng cây trong ruộng. Tôi biết chúng một cách tường tận. Và tôi thấy rất vui khi biết chúng." Lời tâm sự ấy cho thấy tình yêu và sự gắn bó sâu sắc của McClintock với loài cây mà bà đã dành cả đời để nghiên cứu.

McClintock đã phát triển kỹ thuật nhuộm màu mang tính đột phá, cho phép quan sát rõ ràng cấu trúc nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi. Nhờ kỹ thuật này, bà trở thành người đầu tiên phân biệt được 10 nhiễm sắc thể của ngô, một thành tựu đáng kinh ngạc vào thời điểm đó. Không dừng lại ở đó, McClintock tiếp tục nghiên cứu và chứng minh sự trao đổi chéo di truyền ở cấp độ nhiễm sắc thể, một quá trình quan trọng trong tái tổ hợp gen. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí PNAS vào năm 1931, đã khẳng định tài năng xuất chúng của McClintock và đặt nền móng cho những khám phá vĩ đại sau này.

Sau khi nhận bằng tiến sĩ tại Cornell, McClintock tiếp tục gặt hái nhiều thành công trong nghiên cứu về tế bào học di truyền của ngô. Tuy nhiên, con đường sự nghiệp của bà không hề bằng phẳng. Trong thời kỳ Đại suy thoái, việc tìm kiếm một vị trí nghiên cứu ổn định là vô cùng khó khăn. Cuối cùng, McClintock được nhận vào làm trợ lý giáo sư tại Đại học Missouri vào năm 1936. Mặc dù yêu thích công việc nghiên cứu, bà cảm thấy việc giảng dạy chiếm quá nhiều thời gian và quyết định chuyển đến Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor vào năm 1941. Tại đây, McClintock được tự do tập trung hoàn toàn vào nghiên cứu, và cũng chính tại đây, bà đã có những khám phá làm thay đổi lịch sử di truyền học.

McClintock bắt đầu nghiên cứu các kiểu hình màu sắc khảm của hạt ngô ở cấp độ di truyền. Bà nhận thấy rằng các kiểu hình này không ổn định và thay đổi quá thường xuyên qua các thế hệ, không thể giải thích bằng đột biến gen thông thường. Bằng cách nghiên cứu các thế hệ cây ngô kế tiếp, McClintock đã phát hiện ra một sự thật đáng kinh ngạc: một số gen có thể di chuyển vị trí trên nhiễm sắc thể, bật hoặc tắt các đặc điểm vật lý theo những "yếu tố kiểm soát" nhất định.

Khám phá này đã thách thức quan niệm phổ biến lúc bấy giờ rằng gen là những thực thể cố định trên nhiễm sắc thể. Năm 1951, McClintock công bố lý thuyết của mình về "gen nhảy", hay còn gọi là chuyển vị gen, tại hội nghị chuyên đề thường niên ở Cold Spring Harbor. Tuy nhiên, thay vì được đón nhận, bà lại vấp phải sự hoài nghi, thậm chí là chế giễu từ cộng đồng khoa học. "Họ nghĩ tôi bị điên, hoàn toàn mất trí," McClintock nhớ lại.

Barbara McClintock trong phòng thí nghiệm tại Cold Spring Harbor, tháng 4 năm 1963 Viện Y tế Quốc gia. Được phép của Barbara McClintock Papers, Hiệp hội Triết học Hoa Kỳ. Nhiếp ảnh gia không rõ

""Tôi chỉ biết mình đúng!"

Trong những năm 1940, McClintock tập trung nghiên cứu hiện tượng gãy nhiễm sắc thể ở ngô. Bà quan sát thấy một locus (vị trí của gen trên nhiễm sắc thể) đặc biệt trên nhiễm sắc thể số 9, mà bà đặt tên là Ds (dissociation - phân ly), có khả năng di chuyển vị trí. Sự gãy nhiễm sắc thể chỉ xảy ra tại Ds khi có sự hiện diện của một locus khác, được bà đặt tên là Ac (activator - kích hoạt).

McClintock nhận thấy rằng cả Ac và Ds đều có thể "nhảy" trong bộ gen, chèn vào các vị trí khác nhau và ảnh hưởng đến hoạt động của các gen lân cận. Bà gọi chúng là "yếu tố kiểm soát" do khả năng điều hòa biểu hiện gen. Ví dụ, khi Ac "nhảy" vào vị trí gần một gen quy định màu sắc hạt ngô, nó có thể làm thay đổi màu sắc của hạt. Và khi Ac "nhảy" ra khỏi vị trí đó, màu sắc hạt ngô có thể trở lại như ban đầu.

Năm 1950, McClintock công bố phát hiện mang tính cách mạng này trên tạp chí PNAS. Trong bài báo kinh điển, bà đã trình bày chi tiết các kết quả thực nghiệm, phân tích cơ chế hoạt động của Ac và Ds, và đưa ra giả thuyết về vai trò của các yếu tố di động trong điều hòa gen và tạo ra sự đa dạng di truyền.

"Tôi chỉ biết mình đúng. Bất cứ ai có bằng chứng đó ném vào người họ một cách dồn dập như vậy đều không thể không đi đến kết luận mà tôi đã đưa ra về nó," bà khẳng định.

Và cuối cùng, công lý đã được thực thi. Vào giữa những năm 1960, khi các nhà khoa học khác độc lập phát hiện ra hiện tượng chuyển vị gen ở vi khuẩn và các sinh vật khác, thì khám phá của McClintock mới được công nhận. Hơn 30 năm sau khi công bố lý thuyết về "gen nhảy", bà được trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1983.

Ngô được dán nhãn. Barbara McClintock phát hiện ra rằng gen có thể "nhảy" bằng cách nghiên cứu các đột biến thế hệ ở ngô. Được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor. Ảnh: Jan Eve Olsson.

Thử thách và vinh quang

Phát hiện của McClintock đã gặp phải sự hoài nghi từ cộng đồng khoa học. Vào thời điểm đó, quan niệm về gen là những thực thể ổn định, sắp xếp theo trật tự tuyến tính trên nhiễm sắc thể vẫn còn thống trị. Khái niệm "gen nhảy" quá mới mẻ và đi ngược lại những quan niệm phổ biến.

Tuy nhiên, McClintock, với bản lĩnh và sự kiên trì hiếm có, vẫn tiếp tục con đường nghiên cứu của mình. Bà khám phá thêm nhiều yếu tố di động khác, bao gồm Spm (suppressor-mutator), và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế điều hòa hoạt động của chúng. McClintock cũng là người tiên phong trong việc nhận ra tầm quan trọng của biểu sinh học, nghiên cứu về những thay đổi di truyền không do thay đổi trong trình tự DNA.

Phải mất hơn ba thập kỷ, khi các nhà khoa học phát hiện ra transposon ở vi khuẩn và các sinh vật khác, thì cộng đồng khoa học mới thực sự công nhận tầm quan trọng của khám phá của McClintock. Năm 1983, bà được trao giải Nobel Sinh học, một sự vinh danh xứng đáng cho những đóng góp to lớn của bà cho di truyền học.

Barbara McClintock trong phòng thí nghiệm tại Cold Spring Harbor năm 1947. Nguồn: Barbara McClintock Papers, Hiệp hội Triết học Hoa Kỳ.

Di sản của Barbara McClintock

Khám phá về "gen nhảy" của Barbara McClintock đã cách mạng hóa hiểu biết của chúng ta về bộ gen. Transposon không chỉ là những đoạn DNA "rác" như người ta từng nghĩ, mà chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa, gây đột biến, và điều hòa hoạt động của gen. Nghiên cứu của McClintock đã mở ra một lĩnh vực mới trong di truyền học và có ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực khác của sinh học, từ y học đến nông nghiệp.

Không chỉ là một nhà khoa học lỗi lạc, Barbara McClintock còn là một tấm gương sáng về sự kiên trì, bản lĩnh và niềm đam mê khoa học. Khám phá về "gen nhảy" của bà đã mở ra một chương mới trong di truyền học, có ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực khác của sinh học như y học, nông nghiệp và sinh học tiến hóa. Câu chuyện về hành trình đơn độc của McClintock là nguồn cảm hứng bất tận cho các thế hệ nhà khoa học trẻ, những người dám thách thức những quan niệm cũ kỹ và theo đuổi chân lý khoa học.

(Dịch từ nobelprize, pnas.org)