Đường xoắn ốc, xoắn ốc và phương pháp vật lý

24

KVANT 2024/

№3

Đường xoắn ốc, xoắn ốc và phương pháp vật lý

V. PTUSHENKO

Sự phát triển nhanh chóng của vật lý trong thế kỷ XX đã tạo cơ hội cho nó đóng góp vào sự phát triển của các ngành khoa học khác, chủ yếu thông qua sự xuất hiện của nhiều phương pháp nghiên cứu mới. Một trong số đó là phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, dựa trên sự nhiễu xạ của bức xạ tia X lên các nguyên tử của mạng tinh thể. Chúng ta hãy nhớ lại rằng sự nhiễu xạ của sóng bởi một vật cản tuần hoàn dẫn đến sự khác biệt về cường độ của sóng phân tán theo các hướng khác nhau. Một trong những ví dụ rõ ràng là sự nhiễu xạ ánh sáng trên bề mặt đĩa DVD, trong ánh sáng phản chiếu sẽ lấp lánh đủ màu sắc của cầu vồng. Bất kỳ tinh thể nào cũng là một cấu trúc tuần hoàn và do đó có thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ. Tuy nhiên, khoảng cách giữa các “đường thẳng” của cách tử này quá nhỏ để có thể xuất hiện vân nhiễu xạ khả kiến ​​khi phản xạ từ cấu trúc tuần hoàn như vậy của ánh sáng khả kiến. Nhưng bức xạ tia X, có bước sóng gần với khoảng cách giữa các nguyên tử, cho hình ảnh nhiễu xạ tuyệt vời. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1912 bởi Max Laue cùng hai cha con William và Lawrence Bragg, nhờ đó họ đã được trao giải Nobel (1914 và 1915). Tương đối sớm, phân tích nhiễu xạ tia X đã trở thành (và vẫn còn) một trong những phương pháp chính để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử, bao gồm cả các đại phân tử quan trọng về mặt sinh học. Sau này, trong số các phương pháp chính để xác định

DOI: https: doi.org 10.4213 kvant20240302

Để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân đã được giới thiệu và gần đây chúng đã được kết hợp bằng phương pháp kính hiển vi điện tử lạnh. Việc sử dụng phân tích nhiễu xạ tia X có liên quan đến một trong những

Hình 1. Cấu trúc không gian của phân tử DNA sợi đôi. Hình ảnh được xây dựng bằng trình hiển thị cấu trúc VMD

25

TỪ LỊCH SỬ KHOA HỌC

nhiều khám phá “cộng hưởng” hơn trong sinh học thế kỷ 20 - một khám phá thực sự làm bùng nổ thế giới khoa học và có lẽ có ảnh hưởng lớn nhất đến sự phát triển của sinh học trong nửa sau thế kỷ 20. Chúng ta đang nói về việc khám phá ra cấu trúc không gian của phân tử DNA (Hình 1), do Francis Crick và James Watson thực hiện cách đây hơn 70 năm (1953). Chắc hẳn hầu hết mọi người đều biết đến cụm từ “chuỗi xoắn kép” - nhờ cuốn sách có tựa đề đó của Watson. Tuy nhiên, đây hoàn toàn không phải là việc phát hiện ra cấu trúc “xoắn ốc” của DNA mà là điểm chính trong khám phá của Crick và Watson. Chìa khóa ở đây là giả định rằng các bazơ nitơ - “khối xây dựng” cấu thành nên phân tử DNA - bổ sung trong một chuỗi, tức là bổ sung cho các bazơ đối diện với chúng trong chuỗi khác. Trên thực tế, sự bổ sung như vậy, sự tương ứng chặt chẽ, có nghĩa là một chuỗi của “chuỗi xoắn kép” này đã chứa tất cả thông tin cần thiết về cấu trúc của nó. Sợi thứ hai có thể được hoàn thành trên sợi thứ nhất giống như cách đúc gang được “hoàn thiện” trong khuôn đúc. Ý tưởng về cơ chế sao chép thông tin di truyền (tái tạo một phân tử polymer mới dựa trên phân tử hiện có) lần đầu tiên được đưa ra từ lâu trước Watson và Crick (bởi nhà sinh vật học người Nga N.K. Koltsov, nhà sinh vật học người Áo H. Przhibram, nhà hóa học người Đức G. Staudinger và người Anh.

Hình 2. Phần vỏ của loài cephalopod nautilus có đường viền giống hình xoắn ốc logarit

Hình 3. Cầu thang xoắn ốc, các đường viền (lan can và mép bậc thang) tạo thành các đường xoắn ốc

Nhà hóa sinh và toán học Kim D. Rinch trở lại những năm hai mươi và đầu ba mươi của thế kỷ XX). Tuy nhiên, họ đã tìm thấy phương án hữu hình của mình và không còn chỉ là một giả thuyết suy đoán nhờ phát hiện ra cấu trúc của DNA. Cấu trúc này trong tiếng Nga đã nhận được một cái tên rất đáng tiếc, mặc dù rất hấp dẫn - “chuỗi xoắn kép”. Tất nhiên, các chuỗi DNA không gấp lại thành một đường cong phẳng - hình xoắn ốc mà thành một đường xoắn ốc (Hình 2 và 3). Thật không may, bản dịch đáng tiếc này của từ xoắn ốc trong tiếng Anh, đôi khi có thể có nghĩa là một hình xoắn ốc, thật không may, đã trở nên cố thủ trong tiếng Nga. Điều gây tò mò là trong một trong những bài báo đầu tiên của mình, Francis Crick đã trực tiếp nói rằng thuật ngữ này nên hiểu thuật ngữ này là loại đường cong nào: “Một đường xoắn ốc thường được gọi một cách lỏng lẻo là hình xoắn ốc; sự khác biệt là đường xoắn ốc không quấn quanh một hình nón mà xoay quanh một hình trụ, như một cầu thang xoắn ốc thường làm” (1954). Tất nhiên, tác giả đã có một số quyền tự do ở đây; hình xoắn ốc không phải là đường cong quấn quanh một hình nón, mà là hình chiếu của nó lên một mặt phẳng vuông góc với trục của nó. Nhưng bài báo đã được đăng trên tạp chí khoa học nổi tiếng Scientific American, và sự tự do đó được cho phép. Bản dịch tiếng Nga của bài viết này đã trở thành bản dịch đầu tiên của thông điệp về cấu trúc của DNA sang

26

KVANT 2024/№3

các tiêu chuẩn đã được thiết lập (vít bên trái thường được sử dụng cho bất kỳ bài toán đặc biệt nào). Chúng ta hãy nhớ lại rằng vít bên phải được coi là một đường xoắn ốc mà khi di chuyển về phía trước dọc theo trục của nó sẽ xoắn theo chiều kim đồng hồ. Dạng DNA ổn định và phổ biến nhất (dạng B) mà các nhà nghiên cứu ban đầu đã nghiên cứu là dạng xoắn ốc thuận tay phải. Đây chính xác là cách nó được mô tả trong bài báo của Watson và Crick xuất bản vào tháng 4 năm 1953. Chính hình thức này đã

Hình 4. Tượng đài chuột thí nghiệm ở Học viện Novosibirsk

Ngôn ngữ Nga hoàn toàn bỏ qua cảnh báo này của Crick, trình bày nó theo một cách khá kỳ lạ: “có nghĩa là một vết xoắn ốc không quanh một hình nón, mà xung quanh một hình trụ, tương tự như một cầu thang xoắn ốc” (1956). Bài báo đã được đăng trên một tạp chí uy tín của Liên Xô, tạp chí này sau này được đặt tên là “Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Toàn Liên minh mang tên D.I. Mendeleev”. Tạp chí được thành lập bởi nhà hóa học xuất sắc I.L. Knunyants, và chính nhờ lòng dũng cảm và sự sáng suốt của anh ấy mà chúng tôi có được sự thật rằng bài báo này đã được xuất bản vào thời điểm mà ở nước ta, thông lệ không đề cập đến DNA như một vật chất mang tính di truyền. Tuy nhiên, cùng với tin tức về khám phá khoa học quan trọng nhất này, than ôi, sai lầm gây tò mò này cũng len lỏi vào. Trong những lần tái bản bài viết này của Crick bằng tiếng Nga sau đó, ngay cả những giải thích rõ ràng về hình dạng của DNA cũng hoàn toàn biến mất. Tuy nhiên, những điều kỳ lạ về mặt toán học với cấu trúc của DNA không dừng lại ở đó. Như bạn đã biết, ren của vít (và đây cũng là đường xoắn ốc) có thể thuận tay trái hoặc thuận tay phải, mặc dù trong cuộc sống hàng ngày chúng ta rất dễ gặp phải vít thuận tay phải do

Hình 5. Tượng đài hòa bình, tốt đẹp