25/10/2026 · VietTechies · Biên tập
Năm 1941, George Beadle và Edward Tatum tìm thấy một mẫu nuôi cấy nấm mốc bánh mì đỏ có thể phát triển khi được bổ sung vitamin B6, nhưng không phát triển được với chế độ dinh dưỡng tối thiểu thông thường. Mẫu nuôi cấy 299 giúp họ liên hệ một đột biến gen với một khiếm khuyết dinh dưỡng cụ thể. Hai ông đã thống nhất sẽ dừng tìm kiếm nếu không tìm được thể đột biến dinh dưỡng nào trong 5.000 mẫu nuôi cấy.
Quy tắc dừng đó được ghi lại trong tiểu sử của cả hai nhà nghiên cứu do Trung tâm Học tập DNA thuộc Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor biên soạn. Tiểu sử Beadle còn nêu một chi tiết quan trọng: họ đã thu thập và lưu giữ hơn 1.000 mẫu nuôi cấy đã chiếu xạ trước khi kiểm tra bất kỳ mẫu nào. Mẫu cho kết quả mong đợi mang số hiệu 299; con số đó không phải tổng số mẫu họ đã chuẩn bị.
Thí nghiệm đã biến một câu hỏi khó thành điều có thể kiểm chứng. Người ta đã biết gen quy định các tính trạng di truyền, nhưng liệu các nhà nghiên cứu có thể lần ngược từ một sản phẩm hóa học bị thiếu để hiểu gen giúp tế bào làm gì?
Một sinh vật đơn giản hơn cho câu hỏi khó
Trước đó, Beadle đã nghiên cứu mối liên hệ giữa gen và các quá trình hóa học thông qua màu mắt ruồi giấm. Tại Paris, ông cùng Boris Ephrussi nghiên cứu sự hình thành sắc tố. Ở Đại học Stanford, Beadle và Tatum tìm cách phân lập và xác định các chất tham gia quá trình này. Theo tư liệu lịch sử của Trung tâm Học tập DNA, một nhóm khác đã đạt mục tiêu đó trước họ.
Beadle chuyển sang một hệ thí nghiệm đơn giản hơn. Năm 1940, ông chuyển phòng thí nghiệm ruồi giấm của mình sang nghiên cứu Neurospora crassa, một loài nấm mốc bánh mì đỏ. Trong phần lớn vòng đời, loài nấm này chỉ có một bản sao của mỗi gen. Nhờ vậy, việc nghiên cứu hậu quả của đột biến dễ dàng hơn, vì không có bản sao thứ hai che lấp tác động của đột biến.
Loài nấm này còn có một lợi thế về mặt hóa học. Neurospora bình thường có thể phát triển trên môi trường tối thiểu chứa đường đơn, muối vô cơ và vitamin biotin. Từ những thành phần đó, tế bào nấm có thể tạo ra các vitamin và axit amin khác cần cho sự phát triển. Enzyme, những protein xúc tác phản ứng hóa học, giúp thực hiện các chuyển hóa này.
Giữ sống những mẫu không phát triển được
Beadle và Tatum lập luận rằng một đột biến ảnh hưởng đến enzyme có thể làm gián đoạn một trong những chuyển hóa đó. Chủng nấm mang đột biến sẽ không phát triển được trên môi trường tối thiểu. Bổ sung sản phẩm bị thiếu có thể giúp chủng nấm ấy phát triển trở lại.
Nhưng nếu chỉ tìm kiếm trên môi trường tối thiểu, họ sẽ gặp một vấn đề: những thể đột biến họ muốn tìm lại chính là những mẫu không thể phát triển ở đó. Vì thế, trong quy trình thí nghiệm, trước tiên họ nuôi thế hệ con của Neurospora đã xử lý bằng tia X trên môi trường đầy đủ, có vitamin và axit amin. Chế độ dinh dưỡng phong phú hơn này giúp các chủng khiếm khuyết dinh dưỡng phát triển trước khi các nhà nghiên cứu kiểm tra nhu cầu của chúng.
Sau đó, họ kiểm tra các mẫu nuôi cấy trên môi trường tối thiểu. Phần lớn đều phát triển. Mẫu 299 thì không. Việc không phát triển này cung cấp thông tin vì các nhà nghiên cứu có thể so sánh sự phát triển của mẫu trong những điều kiện khác nhau, thay vì coi đó là điểm kết thúc thí nghiệm.
Một chất bổ sung giúp khoanh vùng khiếm khuyết
Bước tiếp theo giúp phân biệt hai khả năng. Mẫu 299 không phát triển trên môi trường tối thiểu có bổ sung axit amin, nhưng lại phát triển khi được cung cấp vitamin. Các nhà nghiên cứu tiếp tục thử từng vitamin riêng lẻ. Vitamin B6 giúp mẫu phát triển.
Phần tái hiện thí nghiệm của Trung tâm Học tập DNA mô tả đây là thể đột biến dinh dưỡng Neurospora đầu tiên của họ. Kết quả gợi ra một khiếm khuyết trong con đường tổng hợp B6: mẫu nấm có thể sử dụng vitamin được cung cấp, nhưng không thể tự đáp ứng nhu cầu đó.
Bổ sung B6 bù đắp hậu quả về dinh dưỡng của đột biến, chứ không sửa chữa gen. Sự khác biệt này giải thích vì sao phương pháp ấy hữu ích: thay đổi môi trường nuôi cấy cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu một khiếm khuyết di truyền mà chưa cần sửa chữa nó.
Thí nghiệm sau đó phân biệt các bước chuyển hóa
Beadle và Tatum công bố kết quả năm 1941. Công trình của họ góp phần xác lập mối liên hệ được biết đến với tên gọi “một gen–một enzyme”: đột biến ở một gen cụ thể có thể ảnh hưởng đến một bước chuyển hóa hóa học cụ thể phụ thuộc vào enzyme.
Một thí nghiệm liên quan đã làm rõ cách suy luận theo từng bước này. Năm 1944, hai đồng nghiệp của họ là Adrian Srb và Norman Horowitz nghiên cứu các chủng Neurospora cần được cung cấp axit amin arginine. Trung tâm Học tập DNA phân biệt công trình về sau này với thí nghiệm B6 ban đầu.
Trong con đường chuyển hóa mà trung tâm mô tả, một tiền chất chuyển thành ornithine, rồi thành citrulline, sau đó thành arginine. Các chủng đột biến khác nhau có thể phát triển khi được bổ sung những chất khác nhau trong chuỗi đó. Bổ sung một chất nằm sau bước bị chặn có thể giúp vượt qua trở ngại dinh dưỡng. Việc xác định những chất bổ sung nào giúp nấm phát triển đã góp phần định vị chỗ gián đoạn.
Mô hình đã giải thích được điều gì
“Một gen–một enzyme” không phải định nghĩa đầy đủ về gen. Bảng thuật ngữ của Viện Nghiên cứu Bộ gen Người Quốc gia có đề cập đến những gen tạo ra các phân tử axit ribonucleic, hay RNA, có chức năng sinh học thay vì protein. Giá trị của thí nghiệm lịch sử này nằm ở mối liên hệ cụ thể mà nó xác lập giữa di truyền và hoạt động hóa học của tế bào.
Beadle và Tatum cùng Joshua Lederberg nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1958. Gạt sang một bên giải thưởng và câu khẩu hiệu, cách suy luận của thí nghiệm rất đơn giản: giữ sinh vật sống, thay đổi những gì cung cấp cho nó, rồi so sánh kết quả.
Mẫu nuôi cấy 299 đã đem lại câu trả lời cụ thể. Trên môi trường tối thiểu, mẫu không phát triển; có vitamin B6, mẫu phát triển. Một chất bổ sung được lựa chọn cẩn thận đã biến việc không phát triển thành bằng chứng về cơ sở hóa học của di truyền.
Bài liên quan
Đọc bằng ngôn ngữ khác: English
Nguồn
- Trung tâm Học tập DNA thuộc Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor: tiểu sử George Wells Beadle
- Trung tâm Học tập DNA thuộc Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor: tái hiện các thí nghiệm Neurospora
- Trung tâm Học tập DNA thuộc Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor: tiểu sử Edward Lawrie Tatum
- Nobel Prize: tư liệu tiểu sử George Beadle
- Viện Nghiên cứu Bộ gen Người Quốc gia: Gene
- Ảnh đại diện: Roland Gromes; Wikimedia Commons; CC BY-SA 3.0 (đã chỉnh sửa từ ảnh gốc)
