Vào năm 1994, một nhà sinh học người Thụy Sĩ tên là Pascal Gagneux bắt đầu chương trình Tiến sĩ về động vật học. Kế hoạch nghiên cứu của ông là theo dõi các quần thể tinh tinh hoang dã ở Cote d’Ivoire và Mali. Cụ thể hơn, Gagneux đang tìm kiếm những nơi cư trú của tinh tinh trong rừng. Sau khi tìm ra nơi mà tinh tinh sống, ông chờ đến khi chúng rời ổ để đi kiếm thức ăn vào ban ngày mới leo lên cây thu thập những sợi lông của chúng.

Mục đích của Gagneux là ghi chép lại sự đa dạng di truyền của loài có họ hàng gần gũi nhất, đáng yêu nhất, và trong tình trạng nguy cấp nhất của chúng ta. Để tìm hiểu điều gì đã khiến một con tinh tinh khác biệt với những con khác, và một quần thể tinh tinh khác biệt với những quần thể khác, ông cần chiết xuất ADN từ nang những mẫu lông đã thu thập được, và nhanh chóng nhân bản ADN. Nếu Gagneux bắt tay vào cuộc tìm kiếm này chỉ sớm hơn vài năm thôi, bước quyết định cuối cùng đó, phép nhân bản, sẽ không thể thực hiện được. Nhưng nhờ một kĩ thuật khoa học mới vào thời điểm đó – và một phát hiện ngẫu nhiên ở suối nước nóng tại Vườn Quốc gia Yellowstone hai thập kỉ trước đó – Gagneux có thể tìm ra rằng sự đa dạng di truyền của tinh tinh lớn hơn con người. “Sự đa dạng về di truyền trong một nhóm tinh tinh còn nhiều hơn cả trong xã hội 7 tỉ người trên hành tinh này,” ông cho biết.

Do số lượng tinh tinh hoang dã đang suy giảm nhanh chóng, những kiến thức đó có thể bị mất hoàn toàn nếu không phải nhờ vào một phát minh ra đời rất đúng thời điểm. Đó là phản ứng chuỗi polymerase1 (polymerase chain reaction), hay PCR, một quá trình cho phép các nhà khoa học lấy một mẫu ADN nhỏ lẻ và sao chép hàng loạt, nhẹ nhàng như nhồi giấy vào một cái máy Xerox. Vào năm 1983, PCR được giới thiệu khiến công việc của Gagneux trở nên khả thi.

Trên thực tế, PCR là một trong những thành tựu kĩ thuật tuyệt vời nhất của thời đại chúng ta. Nhiều kĩ thuật lập bản đồ gien sử dụng trong Dự án Bộ gien của Con người (Human Genome Project)2 phải dựa vào PCR, và nó giúp thực hiện tất cả mọi việc, từ xác định một loại vi khuẩn trước đây chưa được biết đến có thể gây ra một dạng bệnh Lyme nghiêm trọng hơn, cho đến hỗ trợ các bác sĩ kiểm tra bệnh nhân để phát hiện các bệnh di truyền như Tay-Sachs và xơ nang. Nhà phát minh của phương pháp này, Kary Mullis, đã dành giải Nobel Hóa học vào năm 1993.

Nhưng chính PCR và sự thành công của nó là một trong những tiến bộ khoa học quan trọng nhất trong lịch sử sinh học phân tử lại phụ thuộc vào một phát hiện từ giữa những năm 1960, về một dải màu hồng cam của một loại vi khuẩn tại suối nước nóng ở Công viên Quốc gia Yellowstone. Hai người đàn ông phát hiện ra loại vi khuẩn này lúc ấy chẳng hề chủ ý muốn tìm kiếm một thứ gì đó có thể dùng cho việc sao chép ADN – hay bất cứ điều gì liên quan. Họ chỉ đơn giản là tò mò. Và sự tò mò đó đã thay đổi cả thế giới.

“Sự đa dạng về di truyền trong một nhóm tinh tinh còn nhiều hơn cả trong xã hội 7 tỉ người trên hành tinh này.”

Vào giữa những năm 1960, khi Hudson Freeze còn là một sinh viên tại Đại học Indiana, ông cho biết, có thể ông là người duy nhất trong kí túc xá không hút thuốc phiện. “Tôi là kiểu mọt sách cổ điển,” ông nói. (Thậm chí ông còn làm việc trong một phòng thí nghiệm của trường đại học khi vẫn còn đang học trung học.) Mặc dù quan tâm đến khoa học, ông tự mô tả mình là trôi dạt theo dòng chảy cuộc đời. Rồi một buổi chiều nọ, ông được nghe một bài giảng của vị giáo sư tên Thomas Brock và cảm thấy hứng thú.

Nghiên cứu của Brock tập trung vào sinh thái vi sinh vật: Ông quan tâm đến việc các vi khuẩn quang hợp hoạt động như thế nào bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm và sự quang hợp thay đổi theo nhiệt độ như thế nào. Với một sự đa dạng về các khoảng nhiệt độ tương đối ổn định, suối nước nóng dường như là nơi tuyệt vời để nghiên cứu về điều này.

Vì vậy, vào mùa hè năm 1966, với sự tài trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia, Brock và Freeze đã đến Yellowstone để thu thập vi khuẩn phát triển mạnh tại các suối nước nóng. Đây là lần đầu tiên Freeze rời Indiana. Ông đã dành cả mùa hè để thu thập, xay nghiền, và phân lập các mẫu vi khuẩn để đưa về phòng thí nghiệm của Brock. Vào mùa thu năm đó, Brock trả Freeze $2 một giờ để đặt những mẫu từ các suối nước nóng đó vào các môi trường nuôi cấy ở nhiệt độ khác nhau để xem chúng sẽ phát triển như thế nào. Một ngày kia, trong một mẫu đặt ở 176 độ F (80 độ C) – nhiệt độ mà Brock, Freeze, và cả thế giới cho rằng không có gì có thể tồn tại – Freeze tìm ra những sợi màu hồng của một loại vi khuẩn chưa biết trước đây mà sau này Brock gọi là Thermos aquaticus, có nghĩa đen là “nước nóng.” Brock tiếp tục tìm ra vi khuẩn trong nhiều môi trường nước nóng khác nhau – trong đó có cả hệ thống ống nước của Đại học Indiana.

Freeze nhớ cảm giác thất vọng với cái tên của loài sinh vật mới. “Thật là tệ hại. Nước nóng? Thầy có thể sáng tạo hơn thế mà.” Nhưng ông đã hoàn tất công việc cho Brock, rồi tốt nghiệp, và tiếp tục vào một trường khác để học lên Tiến sĩ. Ngoài sự tò mò về khả năng tồn tại ở nhiệt độ cao như vậy, ông không thấy có nhiều lợi ích của loài vi khuẩn mà ông đã giúp phát hiện. “Một số người từ Cincinnati làm việc cho Proctor và Gamble3 đã đến để xem xét có thể sử dụng sinh vật này cho việc gì không. Tôi nghĩ họ muốn dùng nó cho bột giặt Tide,” ông cho biết. “Nhưng tôi không nghĩ nó có thể dùng cho việc gì cả. Tôi chỉ thấy nó dễ thương mà thôi.”

Sau khi Freeze rời Indiana, mẫu T. aquaticus  đầu tiên của ông, lấy vào ngày 5 tháng 9 năm 1966 từ Suối Mushroom của Yellowstone và được đặt tên là YT-1, đã được đưa đến tổ chức American Type Culture Collection4 tại Washington, D.C. Và đó là nơi nó giúp nhen nhóm cuộc cách mạng di truyền học vào hơn một thập niên sau đó.

Bạn có thể nhân lên theo cấp số nhân các bản sao ADN theo mục đích của bạn. Trong vài giờ, bạn có thể tạo ra hàng triệu bản.

Vào đầu những năm 1980, nhiều nhà nghiên cứu tìm cách để sao chép ADN nhanh hơn. Giả sử có một giọt máu sót lại ở hiện trường một vụ án và bạn muốn biết rằng liệu ADN (lấy từ giọt máu này) có phải của đối tượng tình nghi hay không. ADN là một thứ mỏng manh và chỉ một giọt máu có lẽ sẽ không có đủ mẫu ADN để bạn xác định trình tự chuỗi và kết luận về độ tương thích. Nhưng nếu bạn có thể tách ADN và tạo ra rất nhiều bản sao của nó, bạn sẽ có đủ (lượng ADN cần thiết) để tiến hành công việc của mình. Cũng giống như một con vật nhỏ, một con kiến chẳng hạn. Bạn có thể không nhìn thấy một con kiến – nhưng 1.000 con hẳn sẽ gây chú ý hơn nhiều.

Phản ứng chuỗi polymerase tạo ra các bản sao ADN, và nói chính xác thì nó không cần đến T.acquaticus để có thể hoạt động. Thay vào đó, cái nó cần là một polymerase, một loại enzym tham gia vào việc xây dựng và sửa chữa ADN. Các nhà khoa học lấy ADN từ một sinh vật có chứa đoạn ADN mà họ muốn sao chép và trộn nó với polymerase, một nhóm các nucleotide lỏng lẻo để tạo ra ADN, và các sợi nucleotide ngắn, được gọi là các đoạn mồi (primers), để polymerase biết cần bắt đầu xây ADN và kết thúc ở đâu. Sau đó, vấn đề chỉ còn là đun nóng và làm nguội. Đun nóng hỗn hợp, và ADN phân tách thành hai sợi. Để hỗn hợp nguội và các đoạn mồi sẽ bắt đầu bám lên đoạn ADN. Làm nóng trở lại, và các polymerase bắt đầu làm việc, biến các nucleotide rời rạc thành các bản sao ADN. Nếu bạn chạy các chu kì làm nóng và để nguội nhiều hơn, bạn có thể tạo ra theo cấp số nhân các bản sao của mẫu ADN bạn cần. Một thành hai. Hai thành bốn. Bốn thành tám. Chỉ trong vài giờ, bạn có thể tạo ra hàng triệu bản.

Đó là khái niệm cơ bản mà Mullis đã đưa ra, nhưng biến nó thành hiện thực một cách thương mại cần đến nỗ lực của một nhóm. Norman Arnheim, một nhà khoa học đã cùng Henry Erlich nghiên cứu trong giai đoạn phát triển ban đầu của PCR, nói rằng hệ thống ban đầu thật nặng nề và rắc rối. Nhiệt độ cao đã vô hiệu hóa polymerase. Vì vậy, trong mỗi chu trình, các nhà khoa học sẽ phải mở từng ống nghiệm và thêm vào polymerase, ở nhiệt độ vừa đúng, để nó có thể hoạt động mà không bị vô hiệu. “Như thể việc này sẽ không bao giờ kết thúc. Thật là mất công hết sức,” ông cho biết.

Nếu bạn chạy các chu kì làm nóng và để nguội nhiều hơn, bạn có thể tạo ra theo cấp số nhân các bản sao của mẫu ADN bạn cần.

Để giải quyết vấn đề, nhóm của Mullis bắt đầu tìm kiếm một polymerase có thể tồn tại ở nhiệt độ cao. Họ đã tìm thấy nó trong mẫu YT-1 của Freeze và Brock. Vào năm 1989, tạp chí Science đã đặt tên cho polymerase lấy từ T. aquaticus là “Phân tử của năm.”

Và đó là khi Freeze phát hiện điều gì đã xảy ra với khám phá cũ của mình. Các quyền lợi đối với kĩ thuật PCR đã được bán cho hãng dược phẩm Hoffman-LaRoche với giá khoảng 300 triệu đô, nhưng bản thân T. aquaticus thì chưa bao giờ được cấp bằng sáng chế. Hầu hết các nhà khoa học làm nghiên cứu cơ bản không làm giàu từ nó. Chuyện lợi nhuận không bao giờ là mục tiêu của họ. “Khoa học không vận hành theo kiểu như vậy,” Freeze cho biết. Thay vào đó, họ làm việc để làm giàu thêm kiến thức của nhân loại và giúp cho kiến thức đó phổ cập đến những người khác. Không có họ, sẽ không bao giờ có những phát minh kiếm ra tiền.

Hiện tại, Freeze là giám đốc chương trình di truyền con người tại Viện Phát minh Y khoa Sanford Burnham Prebys ở La Jolla, California, một công việc khiến ông trở thành một trong hàng triệu nhà khoa học sử dụng PCR gần như mỗi ngày. “Ở đây tôi đang sử dụng những thành quả của phát minh này và tôi thực sự cải thiện cuộc sống nhờ nó,” ông cho biết. “Điều đó khiến toàn bộ dự án này, mà ý tôi dự án ở đây là cuộc đời khoa học của tôi, trở nên thực sự có ý nghĩa.”

Gagneux, nhà di truyền học tinh tinh, là một trong những đồng nghiệp của Freeze và coi người đàn ông lớn tuổi này là một người khổng lồ trong lĩnh vực của mình. Mặc dù vậy, Gagneux, nhiều năm sau khi họ gặp nhau, đã rất ngạc nhiên khi biết về đóng góp của Freeze cho khoa học. Đây là một đặc điểm nữa về khoa học cơ bản5 – nó không chỉ không làm cho các nhà khoa học trở nên giàu có, mà thậm chí còn chẳng khiến họ trở nên nổi tiếng. Khoa học cơ bản là cần thiết, nhưng nó cũng thường bị coi nhẹ.

Mùa hè năm 2014, trong kì nghỉ gia đình tới Yellowstone, Gagneux đã tìm suối nước nóng nơi T. aquaticus được phát hiện. Khu vực này thật đẹp, ông nói, tất cả những hồ nước sôi sùng sục trong một cuộc nổi loạn của màu sắc, nhưng chúng cũng yên tĩnh và vô danh. Không có biển báo nào cho khách du lịch biết về lịch sử của nó. “Tôi đã rất vui khi nghĩ rằng mình nhìn thấy hồ nước đó,” Gagneus cho biết, “Tôi đã gửi email cho Hud và nói với anh ta, ‘Tôi nghĩ là tôi đã tìm thấy nó rồi.’”