Chuỗi xoắn kép

Hình dạng của DNA

DNA trông giống như một chiếc thang xoắn: một hình dạng mà các nhà khoa học gọi là xoắn kép.

Hai bên dài của chiếc thang được gọi là xương sống đường-phosphate. Chúng được tạo thành từ các phân tử đường (deoxyribose) và nhóm phosphate luân phiên nhau, & chúng giữ cho toàn bộ cấu trúc được gắn kết.

Các thanh ngang của chiếc thang là phần quan trọng nhất. Mỗi thanh ngang được tạo thành từ hai base ghép đôi với nhau. Có bốn base:

- A (adenine)

- T (thymine)

- C (cytosine)

- G (guanine)

Đây là quy tắc quan trọng: A luôn ghép đôi với T, & C luôn ghép đôi với G. Luôn luôn. Ở mọi loài. Những cặp này được gọi là cặp base, & một base đơn lẻ cùng với đường và phosphate của nó được gọi là nucleotide.

Một đoạn DNA của con người có thể đọc như sau: ATCGGCTAA. Nếu bạn biết một bên, bạn tự động biết bên kia: vì A ghép đôi với T, và C ghép đôi với G.

Ai đã phát hiện ra nó?

Cuộc đua khám phá cấu trúc DNA

Năm 1953, James Watson & Francis Crick đã công bố cấu trúc của DNA. Họ đã nhận giải Nobel cho thành tựu này vào năm 1962.

Nhưng họ không thể làm được điều này mà không có Rosalind Franklin.

Franklin là một nhà hóa học tài ba tại King's College London. Bà đã sử dụng nhiếp ảnh nhiễu xạ tia X: bắn tia X vào các tinh thể DNA và đọc các mẫu hình chúng tạo ra: để tạo ra Photo 51, hình ảnh rõ nét nhất về cấu trúc DNA mà ai đó đã từng nhìn thấy.

Đồng nghiệp Maurice Wilkins của bà đã cho Watson xem Photo 51 mà không có sự biết hay cho phép của Franklin. Sau đó Watson viết rằng ngay khoảnh khắc ông nhìn thấy nó, cấu trúc xoắn kép đã trở nên rõ ràng.

Franklin chưa bao giờ nhận được Giải Nobel. Bà mất vì ung thư buồng trứng năm 1958, ở tuổi 37: có thể do công việc chụp X-quang lâu dài của bà: và Giải Nobel không được trao tặng sau khi người ta mất. Watson và Crick hầu như không công nhận đóng góp của bà vào thời điểm đó.

Ngày nay, nhà khoa học công nhận rằng công việc thực nghiệm của Franklin là cần thiết. Bà bị tước đoạt quyền công nhận trong đời sống của mình, và câu chuyện của bà là lời nhắc nhở rằng khoa học được thực hiện bởi con người: và con người không phải lúc nào cũng công bằng.

DNA Tự Sao Chép Như Thế Nào

Sao Chép Mã Di Truyền

Mỗi khi một tế bào phân chia: để chữa lành vết thương, để phát triển, hoặc để thay thế các tế bào cũ: nó phải trước tiên sao chép chính xác toàn bộ DNA của nó. Quá trình này được gọi là sao chép.

Đây là cách nó hoạt động:

1. Một enzyme gọi là helicase tháo xoắn chuỗi xoắn kép bằng cách phá vỡ các liên kết hydro giữa các cặp base. Nó thực sự tách đôi chiếc thang ở giữa.

2. Một enzyme khác gọi là DNA polymerase đọc từng sợi đã lộ ra và xây dựng một sợi mới khớp với sợi đó, tuân theo quy tắc ghép đôi base (A với T, C với G).

3. Kết quả: hai bản sao giống hệt nhau của phân tử DNA gốc. Mỗi bản sao có một sợi cũ và một sợi mới.

Cơ thể bạn thực hiện quá trình này khoảng 3,8 triệu lần mỗi giây. Và nó hầu như luôn làm đúng: DNA polymerase chỉ mắc khoảng một lỗi trên mỗi tỷ base được sao chép. Khi có lỗi xảy ra, các enzyme khác thường phát hiện và sửa chữa lỗi đó.

Nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Khi một lỗi lọt qua, nó trở thành một mutation (đột biến). Chúng ta sẽ nói về tại sao điều này quan trọng trong thời gian tới.

Phiên mã và Dịch mã

DNA Xây Dựng Những Thứ Như Thế Nào

DNA không xây dựng cơ thể bạn trực tiếp. Nó hoạt động thông qua một chất trung gian gọi là RNA (axit ribonucleic).

Quá trình này gồm hai bước chính:

Bước 1: Phiên mã (DNA → mRNA)

Một đoạn DNA (một gen) được sao chép thành một phân tử gọi là RNA thông tin (mRNA). Hãy hình dung đây là việc photocopy một trang từ cuốn cẩm nang hướng dẫn khổng lồ. Bản gốc vẫn an toàn trong nhân tế bào; bản sao được đưa ra sàn nhà máy.

Bước 2: Dịch mã (mRNA → Protein)

Ribosome: máy xây dựng protein của tế bào: đọc mRNA theo từng nhóm ba chữ cái. Mỗi nhóm ba chữ cái được gọi là một codon. Mỗi codon quy định một amino acid. Kết nối các amino acid lại với nhau và bạn sẽ nhận được một protein.

Ví dụ, codon AUG mã hóa cho amino acid methionine và cũng báo hiệu 'bắt đầu xây dựng ở đây.' Codon UAA báo hiệu 'dừng lại.'

Một gen đơn lẻ có thể mã hóa cho một protein gồm hàng trăm amino acid. Protein đó có thể trở thành một enzyme tiêu hóa thức ăn, một phân tử hemoglobin vận chuyển oxy trong máu, hoặc một sợi keratin tạo nên tóc của bạn.

Một gen → một mRNA → một protein → một chức năng trong cơ thể. (Điều này được đơn giản hóa: thực tế phức tạp hơn: nhưng nó nắm bắt được logic cốt lõi.)

Khi Gen Đột Biến

Điều Gì Xảy Ra Khi Mã Di Truyền Thay Đổi?

Một đột biến là bất kỳ thay đổi nào trong trình tự DNA. Nó có thể là một base bị hoán đổi với base khác, một base bị xóa, hoặc các base bổ sung được chèn vào.

Một số đột biến không gây ảnh hưởng gì: codon vẫn mã hóa cho cùng một amino acid (có sự dư thừa được xây dựng sẵn trong mã di truyền). Những đột biến này được gọi là đột biến thầm lặng.

Một số đột biến thay đổi một amino acid nhưng protein vẫn hoạt động. Một số thay đổi một amino acid quan trọng & protein bị hỏng.

Và một số đột biến: rất hiếm khi: tạo ra một protein hoạt động tốt hơn so với protein gốc.

Tại sao Chúng ta Khác biệt

Nguồn Gốc Của Biến Dị

Nếu DNA sao chép chính xác đến vậy, tại sao chúng ta không phải là những bản sao giống hệt nhau?

Ba nguồn chính tạo nên biến dị di truyền:

1. Đột biến: Các lỗi sao chép ngẫu nhiên, bức xạ UV hoặc tiếp xúc với hóa chất có thể thay đổi các base trong DNA. Hầu hết các đột biến là trung tính. Một số có hại. Một số ít có lợi.

2. Sinh sản hữu tính: Khi sinh vật sinh sản hữu tính, mỗi bố mẹ đóng góp một nửa DNA của mình. Sự kết hợp cụ thể là ngẫu nhiên. Bạn chia sẻ 50% DNA với mỗi bố mẹ, nhưng 50% nào bạn nhận được là do sự ngẫu nhiên di truyền. Đây là lý do anh chị em trông giống nhau nhưng không hoàn toàn giống hệt nhau.

3. Tái tổ hợp: Trong quá trình hình thành tế bào trứng và tinh trùng, các nhiễm sắc thể trao đổi các đoạn với nhau. Điều này xáo trộn các tổ hợp gen theo những cách mà cha mẹ không có.

Tại sao Sự biến đổi lại Quan trọng

Sự biến đổi di truyền không phải là một khuyết điểm: nó là một chiến lược sống sót. Một quần thể mà mỗi cá thể đều giống hệt nhau về mặt di truyền sẽ dễ bị tổn thương. Một bệnh dịch có thể quét sạch toàn bộ nhóm vì không ai có khả năng kháng cự.

Nhưng trong một quần thể có sự đa dạng di truyền, một số cá thể sẽ có các đột biến tình cờ khiến họ kháng cự được. Họ sống sót, sinh sản, và truyền lại khả năng kháng cự đó. Đây là chọn lọc tự nhiên: động cơ của sự tiến hóa.

Mọi sự thích nghi mà bạn có thể nghĩ đến: tốc độ của báo săn, khả năng dự trữ nước của xương rồng, bộ não của con người: đều bắt đầu từ một đột biến ngẫu nhiên mà tình cờ hữu ích.

CRISPR và Chỉnh sửa Gen

Viết lại Mã của Sự sống

Hàng tỷ năm qua, những thay đổi đối với DNA diễn ra chậm rãi: thông qua đột biến ngẫu nhiên và chọn lọc tự nhiên.

Điều đó đã thay đổi vào năm 2012.

Jennifer Doudna & Emmanuelle Charpentier đã phát hiện ra rằng hệ thống phòng vệ của vi khuẩn gọi là CRISPR-Cas9 có thể được lập trình lại để cắt DNA tại bất kỳ vị trí chính xác nào. Họ đã nhận giải Nobel Hóa học năm 2020.

CRISPR hoạt động như một chiếc kéo phân tử có GPS. Bạn đưa cho nó một RNA hướng dẫn khớp với trình tự DNA bạn muốn chỉnh sửa, và protein Cas9 sẽ cắt DNA tại đúng vị trí đó. Sau đó, hệ thống sửa chữa của tế bào sẽ sửa chữa vết cắt: và bạn có thể chèn một gen đã chỉnh sửa vào trong quá trình đó.

Đây là bước đột phá. Các nhà khoa học đã sử dụng CRISPR để:

- Chữa khỏi bệnh hồng cầu hình liềm trong các thử nghiệm lâm sàng bằng cách chỉnh sửa tế bào gốc máu của bệnh nhân

- Tạo ra các loại cây trồng kháng bệnh mà không cần lai tạo truyền thống

- Phát triển các phương pháp điều trị tiềm năng cho bệnh loạn dưỡng cơ, một số loại ung thư, & HIV

Nhưng CRISPR cũng đặt ra những câu hỏi đạo đức to lớn.

Năm 2018, một nhà khoa học Trung Quốc tên là He Jiankui tuyên bố ông đã sử dụng CRISPR để chỉnh sửa ADN của phôi thai người: hai bé gái sinh đôi với các gen đã được chỉnh sửa. Cộng đồng khoa học toàn cầu lên án hành động này là thiếu thận trọng và quá sớm. Ông ta bị kết án ba năm tù.

Vấn đề cốt lõi: chỉnh sửa ADN của phôi thai thay đổi mọi tế bào trong cơ thể người sinh ra, và những thay đổi đó được truyền lại cho con cái của họ, và con cái của con cái họ. Chúng ta đang nói về việc thay đổi vĩnh viễn bể gen của loài người.

Kiểm tra di truyền raises its own questions. Today you can spit in a tube & learn your risk for hundreds of diseases. But should employers or insurance companies have access to that information? Should parents be able to select embryos based on traits like intelligence or athleticism?

Chúng Ta Có Nên Chỉnh Sửa ADN Con Người?

Đến Lượt Bạn Tranh Luận

There is no single right answer to these questions. But there are well-reasoned answers & poorly-reasoned answers.

Một lập luận mạnh mẽ xem xét cả lợi ích tiềm năng & rủi ro, sử dụng bằng chứng, & thừa nhận tính phức tạp của vấn đề.

Bạn Sẽ Nhớ Gì?

Một Suy Nghĩ Cuối Cùng

Bạn đã bắt đầu bài học này bằng một câu hỏi về mèo.

Bây giờ bạn đã biết câu trả lời nằm trong một chiếc thang xoắn kép gồm bốn chữ cái hóa học: một mã di truyền tinh tế đến mức vận hành mọi sinh vật sống trên hành tinh này, đồng thời mạnh mẽ đến mức chúng ta chỉ mới bắt đầu học cách viết lại nó.

Khoa học về DNA đang phát triển nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào trong lịch sử nhân loại. Những học sinh đang học tài liệu này ngay lúc này sẽ là những người đưa ra quyết định về cách sử dụng nó.