Vi
khuẩn và bào quan: Đằng sau khám phá mới về lịch sử loài người
Biên dịch: Nguyễn
Thanh Hải
21/03/2021
Con đường dẫn tới sự hình
thành loài người thật dài và quanh co. Và một bước tiến lớn trên con đường đó
chính là sự ra đời của tế bào nhân thực (eukaryotic cell) đầu tiên. Các sinh
vật nhân thực tạo nên thế giới sống mà chúng ta thường nhìn thấy trong các bộ
phim tài liệu trên truyền hình: động vật (bao gồm con người) và thực vật, rong
biển, nấm cùng một loạt các loài sinh vật khác mà mắt thường không nhìn thấy
được, nhưng lại hiện lên một cách đầy sống động dưới kính hiển vi.
Sự đa dạng phi thường này
được tạo ra bởi vì, không giống như các tế bào ở hai lĩnh giới vĩ đại khác của
sự sống là vi khuẩn (bacteria) và cổ khuẩn (archea), tế bào nhân thực có rất
nhiều cấu trúc bên trong được gọi là các bào quan (organelle). Việc phân công
lao động giữa các bào quan này cho phép sinh vật nhân thực không chỉ tiến hóa
mà còn dần trở nên phức tạp hơn qua thời gian, theo những cách mà vi khuẩn và
cổ khuẩn chưa từng làm được. Do vậy, việc các bào quan ra đời như thế nào là
một chủ đề sinh học rất được quan tâm. Và một phát hiện gần đây dưới đáy sâu của
hồ Zug ở Thụy Sĩ đã giúp chúng ta hiểu thêm được phần nào về vấn đề này.
Bí ẩn dưới lòng hồ
Hầu hết các chuyên gia
đều cho rằng tế bào nhân thực đầu tiên là sự cộng sinh xảy ra cách đây khoảng 2
tỷ năm giữa một cổ khuẩn và một số vi khuẩn. Những vi khuẩn này là tổ tiên của
các bào quan được gọi là ty thể (mitochondria), đây là bào quan có vai trò đặc
biệt trong quá trình vận hành của tế bào, nó tạo ra các phân tử giàu năng lượng
được gọi là ATP cung cấp năng lượng cho nhiều phản ứng hóa học xảy ra bên trong
tế bào. Ngày nay bào quan này vẫn còn lưu giữ các phiên bản rút gọn của bộ gene
vi khuẩn.
Ty thể thường thực hiện
chức năng bằng cách tạo phản ứng giữa glucose và oxy (O2) để sinh ra
nước và carbon dioxide (CO2), quá trình này được gọi là hô hấp hiếu
khí (aerobic respiration). Nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Một số sinh vật
nhân thực sống ở những nơi không có oxy, và ti thể của chúng đã tiến hóa để
thích ứng. Quá trình này kém hiệu quả hơn được gọi là hô hấp kỵ khí (anaerobic
respiration), chúng tạo ra hydro (H2) thay vì CO2. Tuy
nhiên, phân tích di truyền cho thấy những ti thể đặc biệt này vẫn là ti thể.
Chính vì vậy mà Jon Graf và Jana Milucka làm việc tại Viện nghiên cứu vi sinh
vật biển Max Planck ở Bremen (Đức) đã rất bất ngờ khi phát hiện ra rằng “ty
thể” trong một số sinh vật mà họ đang nghiên cứu lại không phải là ti thể mà
chúng ta vừa đề cập.
Hai nhà nghiên cứu đã mô
tả những sinh vật này (ở hình trên) trong một bài báo trên tập san Nature
và cho thấy rằng chúng thuộc nhóm sinh vật nhân thực đơn bào gọi là ciliate
(trùng lông). Chúng sống rất sâu dưới lòng hồ Zug, nơi mà oxy từ mặt hồ không
thể đến được. Tuy nhiên, vùng nước ở đáy này lại được bù đắp bằng việc có rất
nhiều metan và nitrat. Đây là những sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ bị
cuốn vào hồ và được vi khuẩn trong lòng hồ tiêu hóa.
Một số vi khuẩn khác,
được gọi là methanotroph, có thể tiêu thụ khí metan làm thức ăn. Và một số
methanotroph có khả năng sử dụng nitrat (gồm ba nguyên tử oxy và một nguyên tử
nitơ) như một chất thay thế oxy để thực hiện hình thức hô hấp được gọi là khử
nitơ (denitrification), quá trình này mang đặc điểm của cả hô hấp hiếu khí và
hô hấp kỵ khí. Đó là lý do tiến sĩ Graf và tiến sĩ Milucka đã đến hồ Zug vào
tháng 10 năm 2018. Mục tiêu của họ là nghiên cứu xem vi khuẩn Methanotroph ở hồ
này có khả năng khử nitơ hay không.
Để đạt được mục tiêu này,
họ đã thu thập các mẫu từ lòng hồ và gửi đến Trung tâm nghiên cứu gene Max
Planck ở Cologne để phân tích. Cụ thể, họ đang tìm kiếm các đoạn DNA có thể mã
hóa cho những enzym khử nitơ. Và họ đã tìm thấy một số. Nhưng không phải theo
hướng họ mong đợi. “Chúng tôi đã phát hiện ra các gene khử nitơ, nhưng chúng
lại thuộc về một bộ gen vô cùng đơn giản”, tiến sĩ Milucka cho biết. “Nó chỉ
bao gồm 310 gen, mã hóa một hình thức hô hấp gần giống với quá trình hô hấp của
ti thể, tuy nhiên nó sử dụng nitrat chứ không phải oxy”.
Sự giản đơn đó cho thấy
bộ gene được đề cập không thuộc về một sinh vật sống tự do. Và, với thành quả
thu được từ những chuyến thám hiểm đáy hồ, tiến sĩ Graf và tiến sĩ Milucka giờ
đây biết rằng nó thực ra là DNA của một loại vi khuẩn mới đang trên đường trở
thành một bào quan, và vật chủ của nó là một loài ciliate chưa được biết đến
trước đây. Hơn nữa, tổ tiên sống tự do của vi khuẩn kiêm bào quan này dường như
đã cư trú trong tổ tiên của loài ciliate, vật chủ của nó, chỉ cách đây 200
triệu năm. Do đó, nó như một một bức ảnh chụp nhanh về quá trình hình thành nên
các ty thể. Điều này cũng cho thấy một phát hiện khác. Các loài ciliate hô hấp
bằng nitrat có quan hệ họ hàng với loài được tìm thấy ở hồ Zug hiện diện ở khắp
nơi trên trái đất. Một so sánh do tiến sĩ Graf và tiến sĩ Milucka thực hiện đối
với các mẫu DNA trong cơ sở dữ liệu di truyền đã tiết lộ những loài có quan hệ
họ hàng gần này sống rất xa Thụy Sĩ, như tại các hồ ở Thung lũng Great Rift tại
Đông Phi.
Lý thuyết phức tạp
Khám phá của tiến sĩ Graf
và tiến sĩ Milucka về bào quan mới bắt đầu hình thành này cho thấy một điểm
trùng hợp thú vị, vì ty thể không phải là bào quan duy nhất đi vào tế bào nhân
thực từ dạng vi khuẩn. Cái gọi là lạp thể (plastid), được tìm thấy trong tảo và
thực vật (và trong một số sinh vật khác, cho phép những sinh vật này quang
hợp), cũng làm điều tương tự. Và nó cũng xuất hiện hai lần, lần đầu tiên cách
đây khoảng 1,5 tỷ năm và lần thứ hai cách đây 60 triệu năm.
Do đó việc tìm kiếm hiện
nay sẽ hướng vào các bào quan mới, có lẽ sẽ mã hóa những kiểu hô hấp khác, ở
các sinh vật nhân thực đơn bào khác đang ẩn náu ở những nơi ít người biết đến
trên thế giới. Càng tìm thấy nhiều trường hợp như vậy thì quá trình hình thành
các bào quan càng được hiểu rõ, và cùng quá trình này, sinh vật bí ẩn là tổ
tiên của loài người cũng sẽ dần lộ diện.
----------------------
Nguồn: “A
tiny creature illuminates an important biological advance”, The
Economist, 20/03/2021.
No comments:
Post a Comment