Hằng năm, Tạp chí ScienceMag (Mỹ) đều điểm lại những sự kiện khoa học của thế giới trong năm và chọn ra 10 sự kiện nổi bật nhất, đặc biệt là chọn ra một sự kiện lớn nhất được gọi là Bước đột phá của năm (Breakthrough of the Year). Năm nay, việc khám phá cỗ máy lượng tử đầu tiên là bước đột phá khoa học của năm 2010, các sự kiện còn lại thuộc các lĩnh vực: Gen tổng hợp, bộ gen người Neandertal, tái lập trình tế bào, mô phỏng lượng tử, mô phỏng động lực học phân tử, chuột hoang knockout và dự phòng HIV...
1. Cỗ máy lượng tử đầu tiên
Năm 2010, một cỗ máy nhỏ bé đã thực hiện các động tác lắc nhẹ theo cách chỉ có thể giải thích được bởi các quy luật cơ học lượng tử khác thường chi phối một cách bình thường các phân tử, nguyên tử, và các hạt hạ nguyên tử (subatomic particles). Cỗ máy lượng tử đầu tiên mở đường cho vô số những thiết bị thí nghiệm và có thể là cả các thử nghiệm cảm giác thực của chúng ta. Tiềm năng và mức độ khéo léo trong thử nghiệm đã đưa cỗ máy này trở thành bước đột phá của năm.
Các nhà nghiên cứu đã biểu diễn các con lắc bán dẫn với độ dài micromet và rộng nanomet. Một con lắc hay bộ dao động, sẽ dao động trong tần số như một dây đàn ghi ta, và theo lý thuyết lượng tử, nó có thể hấp thu hoặc phát ra năng lượng chỉ trong mức độ mà kích thước của nó cân xứng với tần số của con lắc.
Tháng 3.2010, một nhóm các nhà vật lý người Mỹ đã tìm ra cách đơn giản hơn. Thay vì một con lắc, họ đã tạo một tấm nitrua nhôm dao động. Khi hoạt động ở tần số rất cao - 6 tỷ vòng mỗi giây - vật liệu áp điện tạo ra một trường điện dễ xác định. Quan trọng nhất, thông qua trường điện này, các nhà vật lý đã điều chỉnh để kết hợp thiết bị cơ học với thiết bị điện tử được gọi là phase qubit- một thiết bị siêu dẫn mà chính nó có một trạng thái lượng tử năng lượng thấp và một trạng thái lượng tử năng lượng cao.
Trong nghiên cứu cơ bản, các máy lượng tử đơn giản có thể làm nên các máy dò lực siêu nhạy hoặc dùng để tạo ra trạng thái lượng tử của ánh sáng. Phổ biến nhất, chúng có thể giúp kiểm tra các giới hạn của lý thuyết lượng tử và ý thức của chúng ta về thực tại như: Tại sao một chiếc xe hay một người không thể ở hai vị trí khác nhau cùng một lúc?
2. Xây dựng bộ gen nhân tạo
Năm 2010, nhà nghiên cứu Craig Venter thuộc Viện J. Craig Venter - JCVI (Mỹ) xây dựng được bộ gen tổng hợp nhân tạo và từ đoạn ADN đó đã tạo ra bộ gen của vi khuẩn đơn bào. Bộ gen mới kết hợp với các tế bào (vi khuẩn) và làm các vi khuẩn phân chia liên tục, tạo ra một bộ gen hoàn toàn mới.
Bộ gen tổng hợp là một bản sao gần như giống hệt bộ gen tự nhiên. Nhưng mục đích cuối cùng mà các nhà nghiên cứu mong muốn là bộ gen tổng hợp này sẽ được điều chỉnh để sản xuất nhiên liệu sinh học, dược phẩm, hóa chất hữu ích khác.
3. Đọc bộ gen của người Neandertal
Năm 2010, các nhà nghiên cứu công bố dự thảo bộ gen hạt nhân của người Neandertal và những phân tích đầu tiên về 3 triệu cơ sở ADN - tiết lộ về sự tiến hóa của loài người.
Bộ gen của người Neandertal cũng cung cấp cho các nhà nghiên cứu một công cụ mới mạnh mẽ để tìm kiếm những bí mật về các gen liên quan đến người hiện đại, kể từ người Neandertal. Bộ sưu tập bao gồm 78 sự khác biệt về gen mã hóa protein rất quan trọng để chữa trị vết thương và giải mã gen. Một số protein mã hóa thể hiện trong da, tuyến mồ hôi và vỏ của chân tóc, cũng như sắc tố da, tất cả những khác biệt đó phản ánh sự thích nghi với khí hậu và môi trường mới khi con người hiện đại di chuyển khắp toàn cầu.
4. Bộ gen thế hệ kế tiếp
Năm 2010, các nhà nghiên cứu về bộ gen cũng đã đạt được những thành quả trong giải trình tự gen song song.
Vớinỗ lực đầy tham vọng, các nhà nghiên cứu của Dự án 1.000 bộ gen đã tìm cách để thấy tất cả những khác biệt cơ sở đơn hoặc đa hình nucleotide đơn - SNPs (hiện nay trong ít nhất 1% của con người). Dự án đã hoàn thành ba nghiên cứu thí điểm, cùng với việc xác định được 15 triệu SNPs - bao gồm 8,5 triệu SNPs mới. Các thông tin này sẽ giúp các nhà khoa học theo dõi những đột biến gây ra các bệnh.
5. Đẩy mạnh nghiên cứu về tái lập trình tế bào
Năm 2010, các nhà khoa học đã tìm ra cách để thực hiện tái lập trình dễ dàng hơn bằng cách sử dụng các phân tử ARN tổng hợp. Các ARN tổng hợp được thiết kế để trốn tránh việc phòng thủ chống virus của tế bào thường tấn công các ARN ngoại lai. Kỹ thuật này nhanh gấp hai lần và hiệu quả hơn 100 lần so với các kỹ thuật tiêu chuẩn. Và bởi vì ARN nhanh chóng bị phá vỡ, các tế bào được tái lập trình giống hệt với các tế bào nguồn về mặt di truyền, làm cho chúng có khả năng an toàn hơn để sử dụng trong các liệu pháp.
6. Giải trình tự các gen sai sót
Năm 2010, các nhà nghiên cứu về các rối loạn di truyền hiếm gặp đã tìm ra một một hướng đi chiến lược giúp xác định các ADN thủ phạm. Sử dụng các kỹ thuật giải trình tự rẻ và mới chỉ giải trình tự 1% bộ gen cũng cho thấy các tế bào xây dựng protein như thế nào - chúng gây ra một số bệnh mà đến nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết.
Tìm kiếm gen đằng sau một căn bệnh hiếm gặp giúp có thể chẩn đoán và điều trị tốt hơn và để có những hiểu biết mới về sinh học con người. Các nhà khoa học hy vọng sẽ sử dụng việc giải trình tự exome để đánh dấu các nguyên nhân của hơn một nửa trong số 7.000 bệnh Mendel được biết đến hoặc nghi ngờ mà cho tới nay vẫn không giải thích được về mặt di truyền.
7. Thử nghiệm các mô phỏng lượng tử
Năm 2010, họ đã chỉ ra rằng các mô phỏng lượng tử - các tinh thể được mô phỏng với các điểm của ánh sáng laser, các ion và nguyên tử của tinh thể bị mắc kẹt trong những điểm sáng - có thể nhanh chóng giải quyết được vấn đề trong vật lý vật chất ngưng tụ (condensed-matter physics).
Các nhà vật lý hy vọng các mô phỏng lượng tử sẽ lý giải được các Hamilton chưa được giải quyết, chẳng hạn như đối với các chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Nhưng trước tiên họ phải cho thấy những thứ có thể mô phỏng các kết quả đã được biết đến.
8. Mô phỏng các động lực phân tử
Các chuyên gia về protein từ lâu đã nhờ đến sự trợ giúp của các siêu máy tính. Việc sử dụng chúng để theo sát các chuyển động đủ lâu nhằm mô phỏng quá trình xếp đặt hoàn chỉnh một protein. Hai năm trước, các nhà nghiên cứu tại Hoa Kỳ đã công bố một siêu máy tính mới được trang bị phần cứng với 512 con chip để tăng tốc độ tính toán các nguyên tử lân cận trong một protein và nước tương tác. Điều đó cho phép họ có thể đạt được sự bùng nổ về tốc độ. Kết quả là, nhóm nghiên cứu đã theo dõi chuyển động của các nguyên tử trong một loại protein nhỏ, dài hơn 100 lần so với trước đó (đủ để nhìn thấy protein cuộn lại theo cách của nó thông qua 15 chu kỳ gấp và mở). Năm 2010, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các siêu máy tính mới với 1.024 và 2.048 con chip để cải thiện việc mô phỏng các protein có kích thước lớn hơn.
9. Thay đổi đối tượng nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm
Tháng 8.2010 một nhóm nghiên cứu khác đã công bố một tinh chỉnh có thể tạo chuột hoang knockout bằng cùng một kỹ thuật gen được sử dụng cho những con chuột nhà knockout. Cũng trong năm 2010, một vài nhóm nghiên cứu đã công bố những tiến bộ trong việc sử dụng các transposon, các trình tự ADN nhảy từ một địa điểm này tới một địa điểm khác trong một bộ gen, để tạo ra những con chuột hoang có đột biến di truyền - các động vật hữu ích cho sinh học triển khai và nghiên cứu bệnh.
10. Dự phòng HIV
Tháng 7 và tháng 11.2010, hai thử nghiệm về chiến lược phòng ngừa HIV mới đã được báo cáo thành công. Kết quả đầu tiên được giới thiệu tại Hội nghị AIDS quốc tế lần thứ XVIII tổ chức tại Vienna (Áo) vào tháng 7.2010. Một loại vaginal gel có chứa tenofovir thuốc chống HIV làm giảm lây nhiễm HIV ở phụ nữ có nguy cơ cao, giảm 39% trong khoảng thời gian 30 tháng. Gần 900 phụ nữ Nam Phi tham gia vào nghiên cứu, trong đó, một nửa nhận được chất khử vi trùng và những người khác nhận một gel trơ. Trong số các phụ nữ có nguy cơ cao, những phụ nữ sử dụng chất khử vi trùng chính xác như hướng dẫn, hiệu quả của nó đạt đến 54%.
Tháng 11.2010, nghiên cứu đầu tiên về dự phòng tiền phơi nhiễm răng miệng đạt được những kết quả đáng khích lệ. Các đối tượng bao gồm 2.499 đàn ông và phụ nữ chuyển đổi giới tính quan hệ tình dục với nam giới, đã được tuyển dụng từ sáu quốc gia. Một nửa được yêu cầu dùng Truvada - một sự kết hợp của tenofovir và emtricitabine, hàng ngày. Sau khi thời gian trung bình là 1,2 năm, nhóm được điều trị đã ít nhiễm hơn 43,8% so với nhóm dùng giả dược. Việc tuân thủ tốt hơn có thể cho hiệu quả tốt hơn nữa. Trong một nghiên cứu nhỏ, hiệu quả tăng lên 92% ở những người tham gia có mức độ Truvada trong máu của họ có thể đo được. Các nhà nghiên cứu cho biết, dù không phải là cách tiếp cận thần kỳ, nhưng khi kết hợp với các biện pháp khác, có thể mở ra một kỷ nguyên mới trong công tác phòng chống HIV.
(Phong Vũ theo ScienceMag)
