Trong bối cảnh nhân loại đang đối mặt nhiều thách thức to lớn như ung thư hay ô nhiễm nhựa, nhà khoa học người Mỹ David Baker - một trong 3 chủ nhân của giải Nobel Hóa học năm nay, đã mang đến một giải pháp đột phá: tạo ra các protein nhân tạo chưa từng xuất hiện trong tự nhiên - một ý tưởng mà trước đây từng bị xem là "điên rồ".

Phòng thí nghiệm của ông Baker đang liên tục cho ra đời những protein với các chức năng mới mẻ, mở ra vô vàn ứng dụng tiềm năng từ liệu pháp điều trị bệnh chính xác đến phát triển các loại vaccine mới. "Trước vô số vấn đề mà chúng ta đang đối mặt trong lĩnh vực y học, sức khỏe, năng lượng và công nghệ, tiềm năng của việc thiết kế protein là vô cùng to lớn", ông Baker đã chia sẻ như vậy qua cuộc gọi video với báo giới từ Seattle (Mỹ), chỉ vài giờ sau khi ông biết tin mình đoạt giải Nobel cùng hai nhà khoa học khác.

Protein là các phân tử hữu cơ đóng vai trò thiết yếu trong hầu hết mọi chức năng của sinh vật sống, từ co cơ, tiêu hóa thực phẩm đến kích hoạt tế bào thần kinh. Vị giáo sư 62 tuổi hiện làm việc tại trường Đại học Washington (Mỹ) giải thích: "Các protein trong tự nhiên tiến hóa để giải quyết các vấn đề mà quá trình chọn lọc tự nhiên đặt ra. Nhưng ngày nay, nhân loại đang đối mặt với những vấn đề mới. Chúng ta đang khiến hành tinh nóng lên, vì vậy cần có những giải pháp mới về sinh thái và bền vững. Tuổi thọ của chúng ta kéo dài hơn và điều này cũng dẫn đến các căn bệnh mới như Alzheimer. Bên cạnh đó, nhiều mầm bệnh lạ cũng đã xuất hiện, như virus corona chẳng hạn".

Ông Baker cho rằng với các protein mới, con người có thể giải quyết những vấn đề này chỉ trong thời gian ngắn thay vì chờ đợi quá trình tiến hóa tự nhiên. 

Tất cả các protein đều được cấu tạo từ chuỗi các axit amin, và trình tự của chúng quyết định hình dạng cũng như chức năng của protein. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nỗ lực giải mã cấu trúc protein dựa trên trình tự axit amin. Cuối những năm 1990, David Baker đã đạt được những bước tiến quan trọng với phần mềm máy tính Rosetta mà ông phát triển.

Thành công này đã thôi thúc ông chuyển hướng sang một cách tiếp cận ngược lại: bắt đầu từ hình dạng mong muốn và sử dụng Rosetta để xác định trình tự axit amin tương ứng. Trình tự này sau đó được đưa vào vi khuẩn, giúp chúng tổng hợp ra protein mới có thể được thu hoạch và nghiên cứu. Năm 2003, ông Baker công bố thành tựu đột phá: tạo ra protein đầu tiên không có trong tự nhiên - mặc dù khi đó, protein này vẫn chưa có chức năng cụ thể.

Ông hồi tưởng lại: "Rồi chúng tôi bắt đầu thiết kế những protein có thể làm được những điều hữu ích thực sự. Đó là khi mọi người còn nghĩ rằng điều này thật điên rồ". Tuy nhiên, suốt 20 năm qua, đặc biệt là trong 5 năm gần đây, nhóm nghiên cứu của ông đã tạo ra những protein có thể làm nên những điều kỳ diệu. Phần mềm Rosetta cũng được cải tiến liên tục, đặc biệt là việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI). Ông Baker hào hứng cho biết: "Điều thú vị là thứ từng bị xem là bên lề giờ đã trở thành xu hướng chính thống".

Vậy làm thế nào các nhà khoa học có thể quyết định hình dạng của protein mới để đạt được chức năng mong muốn? Ông Baker giải thích qua ví dụ về khối u: "Chúng tôi biết một loại protein trên bề mặt khối u và chúng tôi biết hình dạng của nó. Điều chúng tôi làm là thiết kế một protein hoạt động giống như cách thức chìa khóa cắm vừa ổ khóa".

Một ứng dụng khác là phân hủy nhựa. Trong trường hợp này, protein được thiết kế để gắn kết với phân tử nhựa và đi kèm với các hợp chất hóa học để "cắt" chúng. Trong y học, công nghệ này đã được sử dụng trong một loại vaccine ngừa COVID-19 được phê duyệt tại Hàn Quốc. Các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá tiềm năng của nó trong việc tạo ra các vật liệu mới.

Ông Baker cũng đang hình dung ra rằng các protein tương tác với các hợp chất khác để tạo ra những vật liệu hoàn toàn mới với các tính chất độc đáo. Ông cho biết: "Trong sinh học, chúng ta có răng, xương, vỏ sò, tất cả đều được tạo ra nhờ protein tương tác với các hợp chất vô cơ như canxi carbonate hay canxi phosphate". 

Danh sách mục tiêu nghiên cứu của nhà khoa học David Baker vẫn còn dài, từ việc thu giữ khí nhà kính, tạo ra vaccine cúm phổ quát cho đến cải thiện thuốc chống nọc độc. Ông nhấn mạnh: "Với việc thiết kế protein ngày càng mạnh mẽ, tôi vô cùng phấn khích trước những thách thức mà chúng ta sẽ có thể giải quyết".