Thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty

Thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty là một chứng tỏ bằng thực nghiệm, được báo cáo bởi Oswald Avery, Colin MacLeod, và Maclyn McCarty vào năm 1944, rằng DNA là chất gây ra biến nạp ở vi khuẩn, trong thời kỳ khi mà đa số các nhà sinh học đều đã chấp nhận coi protein là phân tử phục vụ chức năng mang thông tin di truyền (từ protein được đặt ra với niềm tin cho rằng nó các chức năng gốc cơ bản). Với các kết quả nghiên cứu tích lũy trong thập niên 1930 và nửa đầu thế kỷ 20 ở Viện nghiên cứu Y học Rockefeller thuộc đại học Rockefeller nhằm sàng lọc và đặc tả "chất biến nạp chủ yếu" (transforming principle) chịu trách nhiệm cho hiện tượng biến tính đã được phát hiện lần đầu tiên ở thí nghiệm Griffith thực hiện năm 1928: tiêu diệt chủng phế cầu khuẩn gây độc Streptococcus pneumoniae loại III-S, sau đó trộn xác chủng vi khuẩn này với chủng phế cầu khuẩn loại II-R không độc còn sống, và kết quả phân tích cho thấy xuất hiện chủng vi khuẩn loại III-S sống sót ở máu chuột thí nghiệm đã chết. Trong bài báo của họ tiêu đề "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III", công bố tháng 2 năm 1944 ở tạp chí Journal of Experimental Medicine, Avery và đồng tác giả thảo luận gợi ý cho rằng DNA, hơn là protein mà đã được công nhận rộng rãi ở thời điểm đó, có thể là vật liệu di truyền của vi khuẩn, và có thể tương tự đối với gene và/hoặc vi rút cũng như ở sinh vật bậc cao hơn.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật sàng lọc huyết thanh, các nhà nghiên cứu y học có thể xếp vi khuẩn thành các chủng khác nhau, hay các loại. Khi một người hoặc động vật thí nghiệm (ví dụ chuột bạch) được tiêm truyền (inoculation) một loại sinh ra đáp ứng miễn dịch (immune response), sản sinh các kháng thể phản ứng đặc hiệu với các kháng nguyên trên vi khuẩn. Huyết thanh chứa các kháng thể này sau đó được chiết tách và trộn vào môi trường vi khuẩn được nuôi cấy. Các kháng thể sẽ phản ứng với các vi khuẩn khác cùng loại với loại vi khuẩn ban đầu đã tiêm truyền. Nhà vi khuẩn học người Đức Fred Neufeld, đã khám phá ra các chủng phế cầu khuẩn và loại huyết thanh tương ứng; mà cho đến khi có các nghiên cứu của nhà vi khuẩn học Frederick Griffith thì đa số các nhà sinh học công nhận rằng các chủng vi khuẩn là cố định và không thể thay đổi được từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp.
Thí nghiệm Griffith, được báo cáo vào năm 1928, phát hiện ra quá trình biến nạp ở phế cầu khuẩn mà một chủng vi khuẩn có thể biến đổi thành chủng vi khuẩn khác. Griffith, một chuyên gia y tế người Anh, đã dành một vài năm để nghiên cứu huyết thanh của một số bệnh nhân mắc viêm phổi, một căn bệnh gây tử vong lớn ở đầu thế kỷ 20. Ông tìm thấy một số chủng vi khuẩn gây độc và chủng không độc thường có mặt trong máu của một số bệnh nhân viêm phổi, và ông đã thử tìm hiểu khả năng có thể một chủng biến đổi sang chủng kia (hơn là nguyên nhân nhiều chủng vi khuẩn cùng tấn công bệnh nhân một lúc). Để kiểm tra khả năng này, ông phát hiện thấy sự biến nạp xảy ra khi tiêm dung dịch chứa khuẩn độc đã chết với khuẩn không gây độc còn sống vào chuột thí nghiệm: con chuột bị nhiễm bệnh phổi (mà thường nguyên nhân do chủng phế cầu khuẩn gây độc lây nhiễm) và tử vong, sau đó ông còn lọc ra được chủng vi khuẩn gây độc ở máu của chuột.
Kết quả của thí nghiệm Griffith cũng sớm được xác nhận từ các nhóm khác, đầu tiên bởi Fred Neufeld và cộng sự ở Viện Koch và bởi Martin Henry Dawson ở Viện Rockefeller. Một loạt các nhà nghiên cứu ở Viện Rockefeller tiếp tục nghiên cứu về biến nạp trong vài năm sau đó. Với Richard H.P. Sia, Dawson phát triển thực hiện biến nạp trong ống nghiệm (hơn là trên sinh vật sống in vivo như Griffith đã thực hiện). Sau khi Dawson rời viện năm 1930, James Alloway tiếp tục thực hiện nghiên cứu mở rộng các kết quả của Griffith, với thành công chiết tách được sinh phẩm từ dung dịch nước trong quá trình biến nạp năm 1933. Colin MacLeod đã tiến hành sàng lọc các dung dịch từ 1934 đến năm 1937, và tiếp tục nghiên cứu cho đến năm 1940 và được hoàn thiện bởi Maclyn McCarty.

Nội dung thí nghiệm

Vi khuẩn gây bệnh viêm phổi (Pneumococcus) có đặc trưng là các khuẩn lạc trơn và có một lớp màng nhầy polysaccharide bao gồm sự hình thành kháng thể; các chủng khuẩn lạc khác nhau được phân loại tuân theo đặc điểm miễn dịch của chúng.
Thủ tục sàng lọc mà Avery thực hiện đó là đầu tiên tiêu diệt chủng khuẩn lạc trơn (gây độc) bằng nhiệt và ngâm chiết (leaching) các thành phần hòa tan trong nước mặn (saline water). Tiếp theo, protein được kết tủa bằng cách sử dụng clorofom và lớp màng nhầy polysaccharide bị thủy phân bằng một loại enzyme. Sự kết tủa miễn dịch gây ra bởi những kháng thể loại đặc hiệu được sử dụng để xác nhận lớp màng nhầy đã bị phá hủy hoàn toàn. Sau đó, những phần còn hoạt động được kết tủa bởi quá trình cất phân đoạn (fractionation) bằng cồn, tạo thành các dạng sợi mà có thể loại ra được bằng đũa khuấy.
Phân tích hóa học chỉ ra thành phần cacbon, hiđrô, nitơ, và phốt pho chứa trong phần còn hoạt động là giống với thành phần hóa học của DNA. Để chứng tỏ rằng DNA chứ không phải là các phân tử khác như RNA, protein, hoặc một số thành phần tế bào tham gia vào quá trình biến nạp, Avery và các cộng sự đã thực hiện một số kiểm định sinh hóa. Họ tìm thấy các enzyme trypsin, chymotrypsin và ribonuclease (các enzyme có tính năng phá vỡ cấu trúc protein hoặc RNA) không ảnh hưởng tới phần còn hoạt động, nhưng khi trộn enzyme chuẩn bị "deoxyribonucleodepolymerase" (một dạng chuẩn bị thô, thu được từ một số động vật, mà có khả năng phá vỡ cấu trúc DNA) vào dung dịch đã làm tắt quá trình biến nạp.
Các nghiên cứu kỹ lưỡng hơn về sau bởi Moses Kunitz năm 1948 nhằm đáp lại những phê bình và thử thách sàng lọc và tinh thể hóa loại enzyme DNA depolymerase (deoxyribonuclease I), và công trình chính xác của Rollin Hotchkiss đã chứng tỏ rằng gần như mọi nitơ có trong DNA được sàng lọc xuất phát từ glyxin, một sản phẩm của quá trình phá vỡ nucleobase adenine, và Hotchkiss ước lượng chỉ có khoảng 0,02% lượng protein lẫn tạp là không phát hiện được.

Tiếp nhận và lịch sử

Kết quả của thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty nhanh chóng được xác nhận, và mở rộng ra cho các đặc điểm di truyền khác ngoài lớp màng nhầy polysaccharide. Tuy vậy, vẫn có sự miễn cưỡng khi phải chấp nhận kết luận DNA là vật liệu di truyền. Theo như giả thiết có tầm ảnh hưởng về bộ bốn nucleotide ("tetranucleotide hypothesis") của Phoebus Levene, DNA là chuỗi chứa bốn base nucleotide lặp lại và có ít đặc tính sinh học. Do vậy các nhà sinh học thời đó đã nghĩ DNA là thành phần cấu trúc của nhiễm sắc thể, trong khi các gen được cho là chứa các thành phần protein tham gia vào cấu trúc của nhiễm sắc thể. Dòng suy nghĩ này lại được củng cố bởi kết quả tinh thể hóa virus khảm thuốc lá do Wendell Stanley thực hiện năm 1935, và song song trong số vi rút, gene, và enzyme; nhiều nhà sinh học cho rằng các gene là một dạng "siêu enzyme", và Stanley chỉ ra vi rút là một dạng protein có chung đặc điểm tự xúc tác (autocatalysis) với nhiều enzyme. Hơn nữa, một vài nhà sinh học cho rằng di truyền học có thể áp dụng cho vi khuẩn, do chúng thiếu nhiễm sắc thể và khả năng sinh sản hữu tính. Đặc biệt, nhiều nhà di truyền học mà được biết đến một cách không chính thức là “Nhóm các nhà khoa học thực khuẩn” (phage group), mà sẽ trở thành những người ảnh hưởng trong lĩnh vực mới nổi là sinh học phân tử ở thập niên 1950, đã gạt bỏ DNA như là vật liệu di truyền (và đã lảng tránh cách tiếp cận hóa sinh "hổ lốn" như của Avery và các cộng sự). Một số nhà sinh học, bao gồm Alfred Mirsky ở cùng Viện Rockefeller, đã không thừa nhận kết quả của Avery về chỉ mình DNA tham gia vào quá trình biến nạp, mà ông cho rằng các protein lẫn tạp trong dung dịch mới là nguyên nhân chính. Tuy sự biến nạp xảy ra ở một số loài vi khuẩn, nó không thể sao chép sang các loài vi khuẩn khác (hoặc ở sinh vật bậc cao hơn), ý nghĩa của quá trình này dường như chỉ giới hạn chủ yếu trong y học.
Các nhà khoa học khi nhìn lại thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty về mặt lịch sử đã không có sự thống nhất về tầm ảnh hưởng của nó trong thập niên 1940 và đầu thập niên 1950. Gunther Stent cho rằng phần lớn nó đã bị bỏ qua, và chỉ nhận được sự khen ngợi—tương tự như công trình của Gregor Mendel xuất hiện hàng thập kỷ trước khi ngành di truyền học ra đời. Một số nhà sinh học khác, như Joshua Lederberg và Leslie C. Dunn, đã nhận thức được tầm quan trọng của thí nghiệm lúc mới công bố và coi thí nghiệm này như là sự khởi đầu của lĩnh vực di truyền phân tử.
Một số nhà vi sinh học và di truyền học đã có sự quan tâm tới bản chất hóa lý của gene trước năm 1944, nhưng thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty đã làm mới và mở rộng sự quan tâm của các nhà sinh học một cách rộng hơn đối với chủ đề này. Trong khi ở bài báo gốc không nhắc cụ thể tới di truyền học, Avery cũng như nhiều nhà di truyền học đã đọc bài báo đã nhận thức được ý nghĩa của nó đối với di truyền học—rằng Avery đã có thể cô lập được gene như DNA thuần túy. Nhà hóa sinh Erwin Chargaff, nhà di truyền học H. J. Muller và các nhà khoa học khác ca ngợi kết quả này đã thiết lập lên đặc tính sinh học của DNA và sẽ có tầm ý nghĩa quan trọng cho di truyền học nếu DNA đóng vai trò tương tự ở các sinh vật bậc cao khác. Năm 1945, hội Hoàng gia Luân Đôn đã trao Avery huy chương Copley, như một phần công nhận các nghiên cứu của ông về biến nạp ở vi khuẩn.
Giữa các năm 1944 và 1954, bài báo được trích dẫn ít nhất 239 lần (với số lần trích dẫn phân bố đều qua các năm), phần lớn từ các bài báo trong lĩnh vực vi sinh học, hóa học miễn dịch (immunochemistry) và hóa sinh. Cùng với các công trình theo sau của McCarty và các nhà nghiên cứu khác tại Viện Rockefeller để đáp lại những chống đối từ Mirsky, thí nghiệm đã thúc đẩy đáng kể nghiên cứu trong vi sinh học, nơi nó làm sáng tỏ những sự tương tự giữa di truyền vi khuẩn và di truyền học ở các sinh vật sinh sản hữu tính. Nhà vi sinh học người Pháp André Boivin công bố đã mở rộng quá trình biến nạp của phế cầu khuẩn của Avery sang vi khuẩn Escherichia coli, mặc dù kết quả của ông không được các nhà vi sinh học khác xác nhận bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, năm 1946, Joshua Lederberg và Edward Tatum đã chứng tỏ quá trình tiếp hợp vi khuẩn (bacterial conjugation) xảy ra ở E. coli và chỉ ra di truyền có thể áp dụng cho vi khuẩn, ngay cả khi phương pháp biến nạp đặc hiệu của Avery không áp dụng được cho trường hợp tổng quát. Công trình của Avery đã thúc đẩy Maurice Wilkins tiếp tục nghiên cứu tinh thể học tia X của DNA, cho dù ông phải đối mặt với áp lực từ những thành viên ủy ban quản lý quỹ nghiên cứu khi họ yêu cầu ông tập trung vào nghiên cứu tổng thể tế bào, hơn là vào các phân tử sinh học.
Cho dù số lượng bài báo trích dẫn và những phê bình tích cực mà thí nghiệm này nhận được trong những năm sau khi công bố, phần lớn cộng đồng khoa học đã bỏ qua công trình của Avery. Mặc dù nhiều nhà khoa học nhận xét tích cực về kết quả, thí nghiệm đã không có ảnh hưởng rõ rệt tới xu hướng nghiên cứu trong di truyền học vào thời điểm này, đặc biệt nó thể hiện ít sự khác biệt với các thí nghiệm di truyền học cổ điển mà trong đó các gene được xác định bởi các đặc tính của chúng trong những thí nghiệm tạo giống hơn là từ thành phần hóa học của chúng. Mặc dù được sự quan tâm của H. J. Muller, nhưng ông lại tập trung nghiên cứu nhiều vào tính chất vật lý hơn là tính chất hóa học của gene, giống như đa số các thành viên trong nhóm phage. Công trình của Avery cũng bị Ủy ban trao giải Nobel bỏ qua, mà sau này họ công khai tuyên bố lấy làm tiếc khi đã không trao một giải Nobel cho Avery.
Cho đến thời điểm công bố thí nghiệm Hershey–Chase năm 1952, các nhà di truyền học đã nghả nhiều hơn về việc coi DNA là vật liệu di truyền, và Alfred Hershey khi ấy là một thành viên có ảnh hưởng trong “nhóm phage”. Erwin Chargaff đã chỉ ra rằng số lượng các base trong DNA biến đổi giữa các loài (mâu thuẫn với giả thuyết bộ bốn nucleotide (tetranucleotide hypothesis) trước kia là các thành phần không đổi), và năm 1952 Rollin Hotchkiss công bố kết quả thực nghiệm của ông vừa xác nhận công trình của Chargaff đồng thời minh chứng sự vắng mặt của protein trong thí nghiệm biến nạp của Avery. Thêm nữa, ngành di truyền vi khuẩn đã nhanh chóng được hình thành, và các nhà sinh học đã ngả nhiều hơn về giả thuyết cho rằng tính di truyền có bản chất như nhau ở cả vi khuẩn lẫn sinh vật bậc cao. Sau khi Hershey và Chase sử dụng các đồng vị phóng xạ để chứng tỏ rằng DNA của vi rút, chứ không phải là protein, đã xâm nhập vào thể thực khuẩn, các nhà khoa học rất nhanh chóng công nhận rộng rãi DNA là vật liệu di truyền. Mặc dù kết quả thí nghiệm có độ chính xác thấp (họ tìm thấy một lượng không đáng kể protein xâm nhập vào tế bào giống như DNA), thí nghiệm Hershey–Chase không chịu nhiều sự phê bình và phản đối như thí nghiệm của Avery–MacLeod–McCarty. Tầm ảnh hưởng của nó được lan tỏa bởi mạng lưới các nhà sinh học trong “nhóm phage” và, trong các năm về sau, bởi kết quả công bố nghiên cứu về cấu trúc của DNA của Watson và Crick (Watson cũng là một thành viên của “nhóm phage”). Tuy vậy, khi nhìn nhận lại, cả hai thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty và Hershey–Chase đều chưa hoàn toàn chứng minh chắc chắn rằng DNA là vật liệu di truyền.