axit nucleic và ý nghĩa mạng thông tin di truyền trong chất sống.
Francis Crick James Watson Maurice Wilkins
Phân tử của axit nucleic nói ở đây chính là DNA mà những nghiên cứu trước đó chỉ mới cho biết là nó có vai trò quan trọng trong di truyền, nhưng chưa khẳng định được điều gì cụ thể. Chỉ khi tập trung tìm hiểu kỹ cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X phối hợp với hợp với phương pháp hóa lập thể và cách dựng mô hình thì ta mới thu được kết quả quan trọng là đã xác định được cụ thể đến từng nguyên tử, phân tử của hai chuỗi polinucleic và đã cho thấy chúng nối với nhau bằng các cặp gốc ađênin và thimin (A-T) cũng như guanin và cytosin (G-C). Nhờ phân tích được cụ thể như vậy nên thông tin di truyền cũng đã được biết rất cụ thể, đó là các thứ tự A, C, G, T.
Phương pháp nhiễu xạ tia X với độ chính xác cao đã đóng vai trò quyết định trong việc tìm ra cấu trúc DNA, là yếu tố quyết định để hiểu được thông tin di truyền. Đó là thành tựu lớn nhất trong khoa học về sự sống ở thể kỉ XX.
Quá trình nghiên cứu:
Là 1 nhà vật lý nhưng Maurice Wilkins rất say mê nhìn các nhiễm sắc thể trong tế bào bằng kính hiển vi và ông muốn tham gia nhiều hơn vào trong lĩnh vực sinh học bằng cách nghiên cứu các đại phân tử tách riêng khỏi tế bào. Ông đã nghiên cứu DNA của một số sinh vật bằng kỹ thuật tinh
thể học tia X.Ảnh tinh thể học tia X cho thấy các chuỗi phân tử DNA khá dài sắp xếp theo kiểu xoắn kép.
Watson và Crick cho thấy các gốc hữu cơ kết từng đôi một,sắp xếp theo cách đặc biệt ở bên trong hai thanh xoắn kép
Được sự động viên của nhiều người như Gerald Oster cũng như sự hỗ trợ của Caspersson về việc kính hiển vi tử ngoại có thể dùng để tìm hướng của các nhóm hấp thụ tử ngoại. Trong lúc nghiên cứu màng định hướng của DNA được chế tạo để nghiên cứu hiện tượng lưỡng hướng sắc, ông phát hiện ở kính hiển vi phân cực có những sợi rất đồng đều và hoàn chỉnh làm cho ông nghĩ rằng các phân tử trong đó sắp xếp rất đều đặn. Ông lâp tức nghĩ rằng các sợi này là vật cực kì tốt để nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X. Cuối cùng, ông cùng với những người bạn của ông đã thu được số liệu chi tiết về nhiễu xạ tia X của DNA. Đó là dữ liệu duy nhất có thể mô tả đầy đủ cấu hình ba chiều của phân tử.
Phương pháp nhiễu xạ tia X với độ chính xác cao đã làm cho ảnh nhiễu xạ tia X của các sợi DNA khá đẹp làm cho mọi người rất thích thú. Ở Cambridge, trong phòng thí nghiệm của Hội đồng nghiên cứu Y khoa, nơi nghiên cứu về các đại phân tử sinh học, các bạn của ông là Francis Crick và James Watson rất thích thú nghiên cứu cấu trúc AND. Watson là nhà sinh học đến Cambridge để nghiên cứu phân tử. Ông làm viêc tái tạo thực khuẩn và rất có ý thức về những khả năng to lớn có thể mở ra khi tìm được cấu trúc DNA. Crick làm việc về cấu trúc xoắn ốc của protein và quan tâm đến cách làm thế nào điều khiển được cách tổng hợp protein.
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.
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 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.
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.
Ở phòng thí nghiệm của Maurice Wilkins, ông tập trung vào khai thác dữ liệu về tia X, ở Cambridge, Francis Crick và James Watson dựng mô hình phân tử.Hình dạng của ảnh nhiễu xạ cho thấy các phân tử là xoắn, các chuỗi polinucleotid trong sợi phân tử xoắn đôi đều đặn. Nhưng một vấn đề đặt ra: purin và pirinmidin có kích thước khác nhau sắp xếp theo thứ tự không đều dọc theo chuỗi polinucleotid thế tại sao cách sắp xếp không đều đó lại cho cấu trúc rất đều đặn? Chìa khoá để biết được cấu trúc phân tử DNA là phát hiện của Crick và Watson. Hai ông dựng mẫu phân tử hai chuỗi kiểu xoắn với các kích thước chính là do dữ liệu về nhiễu xạ tia X cung cấp.
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 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 đường 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.