(Danh nhân - Hóa học) Dorothy Hodgkin - Người chụp cấu trúc tinh thể

Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994) là nhà hóa học nữ người Anh. Bà giành Giải Nobel Hóa học năm 1964 nhờ công trình xác định công thức cấu tạo của các chất hoạt động sinh học bằng kỹ thuật Tinh thể học Tia X. Bên cạnh đó, Bà nổi tiếng với việc sử dụng tia X-quang khám phá ra cấu trúc của các thuốc penicillin, insulin và vitamin B12. Bà là một trong rất ít những người phụ nữ giành giải thưởng này. Chính xác là bà là một trong bốn nhà hóa học nữ giành giải thưởng và là một trong hai nhà hóa học nữ giành giải độc lập.

Năm 1969, sau 35 năm nghiên cứu, cuối cùng bà cũng tìm ra cấu trúc phân tử insulin. Tinh thể học tia X được sử dụng rộng rãi sau đó để tìm hiểu, khám phá cấu trúc của phân tử sinh học phức tạp, vì hiểu biết về cấu trúc là tối quan trọng trong tìm hiểu về chức năng. Bà được cho là một trong những nhà khoa học tiên phong trong sử dụng kĩ thuật tinh thể học này.

Cuộc đời

Dorothy Mary Hodgkin ra đời tại Cairo, Ai Cập vào ngày 12/5/1910, trong một gia đình công chức thuộc địa của Anh. Vào thời điểm đó, đây vẫn là đế quốc hùng cường với nhiều vùng lãnh thổ trên khắp thế giới, tới mức được ví von là nơi Mặt trời không bao giờ không bao giờ lặn. Năm 1914, Thế chiến Thứ nhất nổ ra, bà cùng các em về sống tại Anh, còn bố mẹ ở lại Ai Cập, gia đình chỉ đoàn tụ vài tháng rồi lại xa nhau. Sau này, Dorothy coi đó là “nguồn gốc khiến mình độc lập tinh thần”.

Lên 10 tuổi, Hodgkin lần đầu tiếp xúc với hóa học trong một lớp học nhỏ. Và khi quan sát tinh thể lấp lánh như đá quý hiện ra trong quá trình dung dịch phèn và đồng bay hơi, bà đã “bị hóa học và các tinh thể hớp hồn”. Kể từ đó, bà đã xin cải tạo một căn gác xép làm phòng thí nghiệm và dùng tiền tiêu vặt mua hóa chất về thử nghiệm. Năm 1921, Hodgkin vào học ở Trường Leman. Vào thời đó, các môn tự nhiên là “đặc quyền của con trai”, và để theo học, bà cùng cô bạn Norah Pusey đã phải cố gắng thuyết phục giáo viên vì cả hai có lý tưởng tới đại học nghiên cứu khoa học, một điều vô cùng hiếm thấy với phái nữ lúc này. May mắn cho Hodgkin khi giáo viên hóa học là một phụ nữ - cô Deeley. Và cô giáo tuyệt vời này đã nuôi dưỡng tình yêu của Dorothy cho môn hóa học.

Một người nữa đã mở mang cho Hodgkin về nghiên cứu khoa học là tiến sĩ hóa A. F. Joseph, một người bạn thân của gia đình bà. Trong một lần gặp gỡ, bà đã vô cùng kinh ngạc khi thấy ông đãi được vàng bằng cách thả quặng vào chậu đựng nước và cát, nhẹ nhàng lắc chậu và dần dần đổ cát đi. Cảnh tượng này đã thổi bùng lên mong muốn thử nghiệm ở Hodgkin. Bà đã đi lượm lặt các hòn đá trong vườn về đãi thử, và có được một nhúm chất đen óng. Sau đó, bà nhờ ông Joseph giúp đỡ thí nghiệm và tìm ra đó là ilmnit, một hỗn hợp oxit của sắt và titan. Ấn tượng trước điều này, tiến sĩ Joseph đã tặng bà một hộp khảo sát di động, góp phần vào phòng thí nghiệm trên gác mái của bà ở Anh.

Vào năm 15 tuổi, Hodgkin được tặng hai cuốn sách hẳn phần nào đã khai sáng và làm kim chỉ nam cho bà trên con đường nghiên cứu: đó là Concerning the Nature of Things (1925) của Ngài William Henry Bragg về việc sử dụng tia X để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của vật liệu, và Fundamentals of Biochemistry của Parsons chứa một phần nội dung về khám phá ra insulin ít năm trước đó.

Năm 18 tuổi, Hodgkin đỗ vào trường Đại học Somerville, một trong số ít trường học cho nữ của Oxford. Tại đây, bà đã quyết định nghiên cứu ngành tinh thể học chụp bằng tia X, một ngành giúp tìm ra các nguyên tử phức tạp được sắp xếp như nào trong không gian ba chiều. Để tìm ra hình dạng ba chiều này, người ta phát triển các tinh thể nhỏ (thường nhỏ hơn 1/10mm) của chất, sao cho các phân tử của nó được xếp thành dãy có trật tự. Sau đó dùng chùm tia X cực mạnh đánh vào tinh thể và thu được “dạng nhiễu xạ” của các điểm, cho biết các phân tử giao thoa thế nào với chùm tia.

Sau khi tốt nghiệp đại học, Hodgkin tới Cambridge học tiến sĩ (năm 1932) dưới sự hướng dẫn của nhà vật lý người Ailen J. D. Bernal. Ông là người đi tiên phong trong việc sử dụng tinh thể học tia X trong nghiên cứu phân tử sinh học, cụ thể là sterol. Hợp tác cùng nhau, Hodgkin và Bernal là những người đầu tiên chứng minh protein có cấu trúc phân tử cân đối. Điều này cho thấy cái nhìn sơ bộ đầu tiên về thế giới phân tử của sinh học, và mở ra cánh cửa cho việc sử dụng tinh thể học tia X để nghiên cứu các phân tử rất phức tạp.

Năm 1934, bà được bổ nhiệm làm Nghiên cứu viên và Giáo viên tại trường Đại học Khoa học tự nhiên Somerville. Từ đây cho tới lúc nghỉ hưu vào năm 1977, bà dành phần lớn sự nghiệp giảng dạy tại ngôi trường này. Một trong những học trò nổi tiếng của bà là Margaret Thatcher. Bà rất có ảnh hưởng tới vị chính trị gia bảo thủ này. Tới mức khi trở thành nữ Thủ tướng Anh đầu tiên, bà Thatcher đã treo bức chân dung của cô giáo mình trong văn phòng ở số 10 phố Downing.

Ngoài giảng dạy, Hodgkin tiếp tục tìm hiểu về sterol, thứ mà bà đã bắt đầu ở Cambridge với Bernal, và các phân tử sinh học khác, bao gồm insulin, cùng với số lượng sinh viên nghiên cứu ít ỏi. Trong quá trình này, Hodgkin đã phát hiện ra khi chụp các tinh thể insulin được làm ướt bằng chất lỏng nuôi dưỡng chúng sẽ phản xạ lại nhiều hơn, mở rộng tới các vị trí cho thấy giữa các nguyên tử trong từng phân tử có các khoảng trống nhỏ. Công trình tiên phong của bà trong tinh thể học đã khai sinh ra một lĩnh vực hoàn toàn mới. Người ta đã áp dụng phương pháp này cho các phân tử sinh học quan trọng như DNA và protein. Nhờ thế mà giờ đây, chúng ta đã biết được hình dạng ba chiều của hơn 139,000 phân tử sinh học.

Thủ tướng Margaret Thatcher chào mừng gia sư cũ của bà, giáo sư Dorothy Crowfoot Hodgkin, 78 tuổi, trước một bữa tiệc trưa dành cho những người đoạt giải Nobel tại Downing Street, London, ngày 14/4/1989. Ảnh: Tony Harris / PA Images / Getty Images

Công trình nghiên cứu

Năm 1941, tình trạng khốc liệt của Thế chiến Thứ hai buộc bà phải tạm gác lại insulin để tiếp nhận nhiệm vụ cấp bách hơn: đó là nghiên cứu penicillin, loại thuốc kháng sinh đầu tiên được phát hiện. Sau bốn năm miệt mài, nhóm của bà đã tìm ra cấu trúc ba chiều của penicillin (1945). Việc tìm ra chính xác hình dạng của penicillin có ý nghĩa then chốt trong việc hiểu được cách nó tiêu diệt vi khuẩn.

Khám phá này đã mở ra thời đại kháng sinh, nhờ nó mà các bệnh nhiễm trùng trước đây gần như không thể cứu chữa và dẫn tới chết người (như viêm amidan, viêm phế quản và viêm phổi) đã được điều trị dễ dàng. Trong Thế chiến Thứ hai, penicillin rất quan trọng trong việc cứu sống hàng triệu người, làm giảm tỷ lệ tử vong do viêm phổi do vi khuẩn ở binh lính từ 18% xuống 1%, đồng thời làm giảm các biến chứng nhiễm trùng do vi khuẩn như tình trạng cắt cụt chi trong quân đội, cứu sống 1/7 thương binh Vương quốc Anh. Cho tới nay, penicillin vẫn được sử dụng phổ biến, cùng với nhiều dẫn xuất khác nhờ khám phá của bà, bao gồm amoxicillin, augmentin, và methicillin. Tầm quan trọng của nghiên cứu này không chỉ thể hiện ở chỗ điều trị một số bệnh nhiễm trùng cho vi khuẩn, mà còn giúp tạo ra hàng trăm loại kháng sinh khác và phát triển thêm những loại mới. Đây là điều vô cùng cấp thiết hiện giờ, do chúng ta đang phải đối mặt với tình trạng một số loài vi khuẩn đã có khả năng đề kháng với các loại thuốc, nguyên nhân dẫn đến 1,27 triệu ca tử vong vào năm 2019.

Nghiên cứu về penicillin đã giúp bà được bầu làm thành viên của Hiệp hội Hoàng gia (một hội khoa học nổi tiếng thế giới của Anh vào năm 1947), chỉ hai năm sau khi người phụ nữ đầu tiên được bầu vào. Danh vọng không khiến bà dừng lại. Trong những năm tiếp theo, Hodgkin chuyển sang nghiên cứu vitamin B12, một chất được sử dụng để điều trị thiếu máu ác tính. Đây là căn bệnh gây chết người trong những năm 1930, người mắc bệnh trung bình sống thêm được 1 đến 3 năm, nguyên do cho bệnh này là cơ thể không thể hấp thụ vitamin B12. Mất tám năm ròng rã, bà mới lập được bản đồ cấu trúc nguyên tử của vitamin B12 (1955), và đây là loại có cấu trúc phức tạp nhất trong tất cả các loại vitamin. Thành tựu của Hodgkin không chỉ nằm ở việc tìm ra cấu trúc của nó, mà bà còn mang lại manh mối để tìm ra chức năng sinh học của loại vitamin này. Những đóng góp quan trọng cho khoa học này đã đưa bà trở thành nữ khoa học gia người Anh duy nhất (cho đến nay) giành được giải Nobel vào năm 1964. Đồng thời, bà là người phụ nữ thứ ba sau Marie Curie và con gái là Irene Joliot-Curie đoạt được giải Nobel Hóa học. Năm tiếp theo, bà được trao tặng Huân chương Công trạng – vinh dự cao nhất của Anh cho các thành tựu về khoa học, nghệ thuật và đời sống cộng đồng.

Ứng dụng cho cuộc sống

Sau khi đạt được những thành công lớn, Hodgkin lại quay về mối quan tâm ban đầu: insulin. Và nỗ lực của bà đã được đền đáp xứng đáng. Vào năm 1969, ba mươi tư năm sau khi bắt tay nghiên cứu, bà đã giải được hình dạng ba chiều của phân tử insulin. Đây là một hormone quan trọng giúp cơ thể chuyển hóa các chất carbohydrate thành glucose và đưa chúng vào tế bào máu để cung cấp năng lượng. Khi lượng glucose cao, insulin sẽ giúp lưu trữ chúng ở gan dưới dạng glycogen. Người bị tiểu đường là do cơ thể không sản xuất đủ insulin để đưa glucose vào trong tế bào máu. Nếu không được điều trị, lượng glucose trong máu cao cuối cùng sẽ dẫn tới các biến chứng như mù lòa, tổn thương thần kinh, suy thận, thậm chí tử vong. Trước khi có insulin, những người mắc tiểu đường thường có tuổi thọ thấp, trẻ em mắc tiểu đường tuýp 1 thường chỉ sống thêm được trung bình 1,4 năm sau chẩn đoán; người trưởng thành có cơ may cao hơn chút: 1/5 người sống được 10 năm sau chẩn đoán, nhưng phải chịu đựng những biến chứng nặng nề. Insulin đã giúp những người bệnh sống khỏe mạnh hơn và lâu hơn. Và bà Hodgkin chính là người đã đặt nền móng cho việc sản xuất hàng loạt insulin để điều trị bệnh tiểu đường nhờ tìm ra cấu trúc của tinh thể này.

xem thêm nội dung