Các kỹ thuật làm tăng cường sức mạnh cho các nhà khoa học trong cuộc chiến chống lại COVID-19 đã giúp đem về hai trong số năm giải thưởng Breakthrough trị giá ba triệu USD – giải thưởng thu hút bậc nhất trong khoa học và toán học. Một giải thưởng được trao cho nhà hóa sinh đã khám phá ra cách mang vật liệu di truyền RNA thông tin vào các tế bào, dẫn đến việc phát triển một loại vaccine mới. Một giải thưởng khác thuộc về các nhà hóa học phát triển kỹ thuật trình tự gene thế hệ mới được sử dụng để dò theo các biến thể SARS-CoV-2 một cách nhanh chóng. Giải thưởng đã được loan báo vào ngày 9/9.

Drew Weissman and Katalin Karikó

“Hai trong số các giải thưởng là những nghiên cứu có tác động lớn lên thế giới đến mức chúng đã nâng tầm của giải thưởng lên”, Yamuna Krishnan, một nhà hóa sinh tại trường đại học Chicago in Illinois, nhận xét. “Các nghiên cứu này đã góp phần cứu sống hàng triệu người trên thế giới.”

Các vaccine của Pfizer–BioNTech và Moderna, vốn đã được phân phố đến toàn thế giới, đã dùng mRNA để hướng dẫn các tế bào tạo ra protein gai của SARS-CoV-2, do đó, kích thích cơ thể tạo ra kháng thể. Nhưng trong nhiều thập kỷ, các vaccine mRNA vẫn được coi như điều không khả thi bởi vì việc tiêm mRNA làm kích hoạt phản hồi miễn dịch không mong muốn có thể làm phá hủy mRNA này ngay lập tức. Những người giành giải thưởng - Katalin Karikó tại trường đại học Pennsylvania (UPenn) ở Philadelphia và BioNTech ở Mainz, Đức, và Drew Weissman, cũng tại Upenn – đã chứng tỏ vào giữa những năm 2000 khả năng hoán đổi một dạng phân tử ở mRNA là uridine với một thành phần tương tự là pseudouridine sẽ vượt qua phản ứng miễn dịch này.

“Đây là một giải thưởng kỳ diệu và được trao đúng lúc cho một công trình nghiên cứu khởi đầu cho những thành công phía sau”, nhà hóa sinh từng đoạt giải Nobel Jack Szostak tại trường Harvard ở Cambridge, Massachusetts, và một cố vấn khoa học của Moderna, đánh giá. “Đây là một công trình truyền cảm hứng bởi vì ngay từ lúc bắt đầu thì không ai tin là vào một ngày nào đó, nó sẽ trở nên hữu dụng”. 

Vô số từ chối 

Karikó kể lại sự nghi ngờ vây quanh công trình của mình vào những năm 1990 khiến cho nhiều công trình và nhiều đề xuất xin tài trợ đã bị từ chối (bao gồm cả bài báo năm 2005 mà giờ đây bà được ghi nhận) cũng như bản thân bà bị giáng chức, cắt lương. Karikó hi vọng sẽ dành tiền từ giải thưởng để quay lại đầu tư cho nghiên cứu các vaccine mRNA và liệu pháp điều trị ung thư cho tương lai. “Tôi hạnh phúc khi trở thành một trong những người đóng góp vào vaccine này nhưng nhìn lại thì thật đáng kinh ngạc về việc cần phải có bao nhiêu tiến bộ đạt được trong nhiều thập kỷ, trong nhiều lĩnh vực để đạt được điều đó”, Karikó nói. “Niềm tự hào của tôi là được cùng với hàng trăm người khác tham gia vào quá trình này”.

Shankar Balasubramanian và David Klenerman của trường đại học Cambridge, Anh, và Pascal Mayer tại công ty Alphanosos ở Riom, Pháp cùng nhau chia sẻ giải thưởng  bởi đã phát minh ra một kỹ thuật vào giữa những năm 2000 cho phép hàng tỉ mảnh DNA được chụp lại và đọc một cách đồng thời, qua đó tăng tốc giải trình tự lên 10 triệu lần. “Tôi đã sốc và cảm thấy vô cùng vinh dự khi biết chúng tôi đã giành giải”, Balasubramanian nói.

Ông kể lại sự hào hứng của mình vào giữa những năm 1990 về dự án giải mã hệ gene người, vốn phụ thuộc vào giải trình tự gene Sanger – phương pháp giải trình tự gene ban đầu để xây dựng trình tự một mảnh DNA tại một thời điểm. Sau đó ông nhận ra là trình tự gene cần một “chuyển đổi lớn để gia tăng quy mô và làm cho quá trình đó trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, đem lại lợi ích lớn hơn cho quá trình chăm sóc sức khỏe con người”.

Krishnan so sánh bước nhảy vọt từ giải trình tự Sanger đến giải trình tự thế hệ mới với bước nhảy từ máy bay của anh em nhà Wright đến chiếc Boeing hiện đại. Bà lưu ý giải trình tự nhanh và hiệu quả cũng là điều thiết yếu với dược phẩm gốc và tạo dựng những tiên tiến mang tính nền tảng về cấu trúc và động lực học của protein phát sáng trong các kỹ thuật chỉnh sửa gene CRISPR và trong sinh học RNA.

Giải thưởng thứ ba dành cho khoa học sự sống được trao cho nhà sinh hóa Jeffrey Kelly tại Scripps Research ở La Jolla, California, cho việc nghiên cứu ra sự xoắn không chính xác của protein đóng vai trò như thế nào với việc phát bệnh amyloidosis, một chứng bệnh có thể ảnh hưởng đến các cơ quan, bao gồm tim và có thể là nguyên nhân dẫn đến bệnh thoái hóa thần kinh – và cho việc phát triển là một phương pháp điều trị hiệu quả căn bệnh này.

Thời gian hoàn hảo

Hidetoshi Katori (trái) và Jun Ye phát minh ra đồng hồ mạng tinh thể quang. Nguồn: The University of Tokyo/Jun Ye

Giải Breakthrough trong vật lý cơ bản thuộc về nhà vật lý quang Hidetoshi Katori tại trường đại học Tokyo, và Jun Ye tại Viện nghiên cứu Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mĩ ở Boulder, Colorado, cho việc phát minh ra đồng hồ tinh thể quang – một thiết bị có thể chỉ sai một giây trong suốt 15 tỉ năm, cải thiện độ chính xác của những đo đạc thời gian lên tới 10.000 lần.

Giải tưởng này “vô cùng xứng đáng”, Helen Margolis, một nhà vật lý quang tại Phòng thí nghiệm Vật lý quốc gia ở Teddington, Anh, nói.

Nhiều đồng hồ caesium tiên tiến trước đây được thiết kế dựa trên việc đo đạc các sóng vi mô phát xạ khi các nguyên tử chuyển pha giữa hai trạng thái năng lượng – một quá trình được kích hoạt bằng việc để ‘rơi’ các đám mây nguyên tử và bắn phá chúng với các vi sóng. Các đồng hồ tinh thể quang thay vào đó tấn công các nguyên tử strontium với ánh sáng quang và đo đạc sự phát xạ của ánh sáng quang với một tần suất cao hơn 100.000 lần so với vi sóng. “Điều đó nghĩa là anh có thể đo đạc được các tích tắc nhanh hơn,” Ye nói.

Các đồng hồ này sử dụng tia laser để giữ hàng ngàn nguyên tử trong một mạng tinh thể đứng yên, nhằm đạt được độ chính xác lớn hơn. “Nhưng việc bẫy các nguyên tử cũng làm chúng thay đổi”, Ye giải thích. Mỗi trạng thái năng lượng của nguyên tử thông thường sẽ bị nhiễu khác nhau. Một thủ thuật quan trọng là tìm ra hai trạng thái năng lượng có cùng độ nhiễu, và khi lấy hiệu giữa chúng thì nhiễu sẽ bị triệt tiêu.

Nhờ có độ chính xác của kỹ thuật họ áp dụng mà “các đồng hồ tinh thể quang có thể được sử dụng để tìm hiểu các hiệu ứng chưa bao giờ được thấy trước đây”, Margolis nói. Vào năm 2020, Katori và đồng nghiệp xuất bản một công trình sử dụng hai đồng hồ, một đặt tại chân tháp Skytree Tokyo và một tại đỉnh tháp cao 450 m để thực hiện một thử nghiệm chính xác về thuyết tương đối. Trong khi nhóm của Ye đang tìm kiếm hiệu ứng của sự hiện diện một hạt ứng cử viên cho vật chất tối – vật chất bí ẩn được cho là chiếm khối lượng lớn trong vật chất của vũ trụ - lên đồng đồ tinh thể. Rất nhiều đồng hồ có thể giúp cải thiện việc dò sớm động đất và hoạt động núi lửa, cũng như phép đo chính xác mực nước biển dâng.

Giải Breakthrough trong toán học thuộc về Takuro Mochizuki ở trường ĐH Kyoto, cho việc mở rộng hiểu về về cấu trúc đại số của “các modul ‘D holonomic’ – vốn liên quan đến các dạng nhất định của các phương trình vi phân – để xử lý các điểm mà tại đó vẫn có thể được nghiên cứu các phương trình này mà không cần phải xác định rõ.

Nguồn:Nhà tiên phong về vaccine mRNA giành giải Breakthrough (tiasang.com.vn)

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02449-y

https://www.forbes.com/sites/alexknapp/2021/09/09/2022-breakthrough-prizes-announced-mrna-vaccine-pioneers-awarded-3-million/?sh=46a8de83a2e8