Nobel Hóa học 2024: Giải mã bí mật cốt lõi của sự sống

Hai nhà khoa học Demis Hassabis và John Jumper thuộc phòng thí nghiệm DeepMind của Google đã sử dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI) để dự đoán cấu trúc của protein, trong khi nhà hóa sinh David Baker đã thành công trong việc thiết kế những loại protein hoàn toàn mới mà tự nhiên chưa từng tạo ra.

Những thành tựu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều bước tiến quan trọng trong tương lai, từ việc tìm kiếm các loại thuốc mới đến các enzym có khả năng phân hủy chất ô nhiễm. Sau đây là phần giải thích khoa học đằng sau những khám phá đoạt giải Nobel Hóa học 2024.

Theo mô tả của ông Davide Calebiro - một nhà nghiên cứu protein tại trường Đại học Birmingham (Anh), protein là các phân tử hoạt động như “nhà máy” của mọi quá trình diễn ra trong cơ thể chúng ta. ADN cung cấp bản thiết kế cho mỗi tế bào và protein sử dụng thông tin này để định danh tế bào theo các chức năng cụ thể như tế bào não hoặc tế bào cơ.

Protein được tạo nên từ 20 loại axit amin khác nhau. Trình tự mà các axit amin này khởi đầu sẽ quyết định cấu trúc 3D mà chúng sẽ xoắn lại và gấp nếp. Bà Mary Carroll - Chủ tịch Hiệp hội Hóa học Mỹ so sánh quá trình này giống như một dây điện thoại cũ. Bà giải thích: "Bạn có thể kéo căng dây điện thoại ra, khi đó bạn sẽ chỉ có một cấu trúc một chiều. Rồi sau đó, nó sẽ tự động co lại thành cấu trúc 3D".

Vì thế, để làm chủ được protein, các nhà hóa học cần phải hiểu cách các trình tự 2D biến thành các cấu trúc 3D phức tạp này. Nhà hóa sinh người Pháp Sophie Sacquin-Mora chia sẻ: “Thiên nhiên đã cung cấp cho chúng ta hàng chục nghìn loại protein khác nhau, nhưng đôi khi chúng ta muốn chúng làm những việc mà chúng chưa biết cách làm”.

Nghiên cứu của các nhà khoa học từng đoạt giải Nobel trước đây đã chỉ ra rằng các nhà hóa học có thể dựa vào các trình tự axit amin để dự đoán cấu trúc mà chúng sẽ tạo thành. Tuy nhiên, điều này không hề dễ dàng. Các nhà hóa học đã trăn trở trong suốt 50 năm và thậm chí còn tổ chức Olympic Protein - một cuộc thi định kỳ 6 tháng một lần, nhưng nơi nhiều người đã thất bại trong việc dự đoán chính xác cấu trúc.

Vào thời điểm đó, hai nhà khoa học máy tính Demis Hassabis và John Jumper xuất hiện. Họ đã huấn luyện mô hình AI AlphaFold của mình dựa trên tất cả các trình tự axit amin đã biết và các cấu trúc tương ứng. Khi được đưa cho một trình tự chưa biết, AlphaFold so sánh với các trình tự trước đó và dần dần tái cấu trúc bài toán dưới dạng 3D.

Sau khi thế hệ mới AlphaFold2 giành chiến thắng áp đảo tại Olympic Protein 2020, các nhà tổ chức đã tuyên bố rằng bài toán này đã được giải quyết. Hiện tại, mô hình này đã dự đoán được cấu trúc của gần như toàn bộ 200 triệu protein đã biết trên Trái Đất.

Nhà hóa sinh David Baker đã tiếp cận theo một hướng hoàn toàn khác. Ông bắt đầu bằng việc thiết kế một cấu trúc protein hoàn toàn mới mà chưa từng thấy trong tự nhiên. Sau đó, sử dụng một chương trình máy tính có tên Rosetta mà ông phát triển, David Baker có thể xác định trình tự axit amin bắt đầu cho cấu trúc này.

Rosetta tìm kiếm tất cả các cấu trúc protein đã biết, nhằm tìm ra các đoạn protein ngắn tương tự với cấu trúc mà nó muốn tạo ra. Sau đó, Rosetta tinh chỉnh chúng và đề xuất một trình tự có khả năng tạo thành cấu trúc mong muốn.

Việc làm chủ những "cỗ máy" nhỏ bé và quan trọng như protein có thể mang lại vô số ứng dụng tiềm năng trong tương lai. Theo trang web của Nobel, điều này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cách sự sống hoạt động, bao gồm tại sao một số bệnh phát triển, cách kháng kháng sinh xảy ra, hoặc tại sao một số vi khuẩn có thể phân hủy nhựa.

Việc tạo ra các protein hoàn toàn mới có thể dẫn đến các vật liệu nano mới, các loại thuốc và vaccine nhắm mục tiêu cụ thể hơn, hoặc các hóa chất thân thiện với môi trường hơn. Khi được hỏi về loại protein yêu thích của mình, David Baker chỉ ra một loại mà ông đã "thiết kế trong đại dịch COVID-19 để chống lại virus corona". Ông cũng chia sẻ sự phấn khởi với ý tưởng về một loại xịt mũi có các protein thiết kế nhỏ để bảo vệ khỏi mọi loại virus đại dịch tiềm tàng.

Nhà khoa học Davide Calebiro đề cao tính đột phá của nghiên cứu này. Ông đánh giá "đây là sự khởi đầu của một kỷ nguyên hoàn toàn mới”.