Phát hiện vi sinh vật ăn 1 triệu vi rút mỗi ngày sẽ làm thay đổi quan niệm về chuỗi thức ăn

Vi rút đang bị chúng ta hiểu sai một cách khá phổ biến. Trong thời kỳ u ám của đại dịch COVID, rất ít người có thiện cảm với những mớ vật liệu di truyền được bọc bằng protein này, thứ nằm giữa mối quan hệ mập mờ giữa sinh vật sống và vật chất vô tri vô giác.

Mặc dù vi rút có chung một số đặc điểm với các sinh vật sống như sở hữu bộ gen và có khả năng tái tạo nhưng chúng không có khả năng tự duy trì “nòi giống”. Nói cách khác, để sinh sản, vi rút phụ thuộc vào việc lây nhiễm tế bào chủ. Vi rút không ăn các tế bào này vì thực ra, vi rút không có quá trình trao đổi chất. Thay vào đó, chúng chỉ chiếm quyền điều khiển và lập trình lại các tế bào chủ để trở thành các nhà máy thu nhỏ tạo ra nhiều hạt vi rút hơn. Trong quá trình đó, chúng thường gây sát thương hoặc tử vong cho vật chủ.

Thế nhưng trong một bài báo mới được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS), các nhà nghiên cứu báo cáo bằng chứng cho thấy vi khuẩn có thể tự duy trì và phát triển quần thể của chúng bằng cách ăn vi rút. Phát hiện mang tính đột phá này là phát hiện đầu tiên chứng minh “virivory” - chế độ ăn kiêng chỉ có vi rút.

Vi rút trong hệ sinh thái

Mặc dù có kích thước nhỏ nhưng vi rút có thể gây ra những tác động sâu sắc đến hệ sinh thái. Bằng cách gây ra cái chết của vật chủ, thường ở quy mô lớn, vi rút có thể ảnh hưởng đến số phận sinh vật nào sống và sinh vật nào chết. Nhiều nhà sinh thái học thậm chí còn coi vi rút là một loại động vật ăn thịt, nằm ở vị trí cao nhất trong chuỗi thức ăn mặc dù, như đã nói trên, vi rút không coi vật chủ của chúng là “thức ăn”.

John DeLong thuộc Đại học Nebraska, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, đã tự hỏi liệu vi rút có thể, giống như những kẻ săn mồi khác, trở thành con mồi của một thứ khác hay không. DeLong đã nghĩ đến một nhóm vi rút cụ thể. Năm 2016, DeLong là một phần của nghiên cứu đột phá điều tra chlorovirus (vi rút lây nhiễm tảo trong hệ thống nước ngọt). DeLong đã nhận ra rằng, với sự phong phú của chlorovirus trong nước ngọt, chắc chắn phải có thứ gì đó đang hấp thụ chúng.

DeLong nêu nhận định: “Mọi thứ đều muốn ăn chúng… Chắc chắn có thứ gì đó đã học cách ăn những nguyên liệu thô thực sự ngon lành này. Thật vậy, vi rút là một bữa ăn nhẹ bổ dưỡng. Chúng có nhiều axit amin, cũng như nitơ và phốt pho - những thành phần cơ bản của một chế độ ăn uống thịnh soạn.

Một thí nghiệm thuyết phục

Để điều tra, DeLong và nhóm của ông đã tạo ra một thiết kế nghiên cứu đơn giản. Họ đã thu thập các mẫu nước ao gần Đại học Nebraska. Họ đã phân lập các vi khuẩn khác nhau mà họ nghĩ có thể hấp thụ vi rút và chỉ thêm chlorovirus vào hỗn hợp, vì vậy các vi khuẩn sẽ chỉ có vi rút là nguồn thức ăn tiềm năng. Sau đó, họ chờ xem số lượng của bên nào tăng lên.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã thu hẹp trọng tâm của họ vào hai chi sinh vật nguyên sinh phổ biến trong các hệ sinh thái nước ngọt là Halteria và Paramecium. Bởi vì những vi sinh vật này sống trong cùng môi trường với chlorovirus, nên có vẻ như chúng đã phát triển một cách để hấp thụ vi rút làm thức ăn. Nếu các nhà nghiên cứu có thể chứng minh rằng các vi khuẩn đang phát triển bằng cách ăn chlorovirus, thì họ sẽ có bằng chứng thuyết phục rằng những sinh vật nguyên sinh này có thể tự duy trì bằng ăn vi sinh vật khác.

Trong vòng hai ngày, cả Halteria và Paramecium đều làm giảm lượng chlorovirus gấp 100 lần, nhưng chỉ có Halteria tăng số lượng, lên 15 lần. Halteria đã chuyển đổi khoảng 17% khối lượng cholorvirus đã hấp thụ thành sinh khối mới của chính nó, một giá trị tương tự như giá trị được báo cáo khi các sinh vật nguyên sinh hấp thụ vi khuẩn làm thức ăn. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu ước tính rằng mỗi tế bào Halteria ăn khoảng 10.000 đến 1.000.000 vi rút mỗi ngày.

Nhóm nghiên cứu cũng đã đánh dấu DNA của vi rút bằng thuốc nhuộm huỳnh quang màu xanh lá cây. Dưới ánh sáng thích hợp, có thể thấy rằng các không bào (giống như “dạ dày” thu nhỏ bên trong sinh vật nguyên sinh) có chứa chlorovirus.

Một mắt xích mới trong chuỗi thức ăn

Phân tích mạng lưới thức ăn để tìm hiểu cách năng lượng chảy từ sinh vật này sang sinh vật khác trong một hệ sinh thái. Mỗi chuỗi thức ăn đại diện cho một con đường mà các chất dinh dưỡng và năng lượng có thể đi khi chúng di chuyển qua một hệ sinh thái hoặc một lưới thức ăn rộng lớn hơn. Trước đây, các phân tích lưới thức ăn giả định rằng các nguồn tài nguyên chứa trong vi rút như carbon, nitơ và phốt pho sẽ vẫn được cô lập và không di chuyển lên trong lưới thức ăn. Nói cách khác, chúng ta cho rằng vi rút đã “cất giấu” các chất dinh dưỡng trong các hạt mà không thứ gì khác có thể ăn được. Nhưng thí nghiệm này cho thấy giả định đó có lẽ không chính xác. Theo các nhà nghiên cứu, “Năng lượng có nguồn gốc từ vi rút” này có khả năng di chuyển qua mạng lưới thức ăn thủy sinh và tác động đến cấu trúc cũng như động lực học của nó.

Những sinh vật nguyên sinh như Halteria tồn tại ở cuối chuỗi thức ăn và đóng vai trò là con mồi quan trọng cho động vật phù du. Cùng với nhau, sinh vật nguyên sinh và động vật phù du đại diện cho phần lớn sinh khối trên trái đất và đóng góp một lượng lớn năng lượng cho lưới thức ăn. Các mô hình hiện tại không bao gồm liên kết dinh dưỡng giữa vi rút và sinh vật hấp thụ chúng, do đó bỏ qua sự tương tác quan trọng và tính toán sai sự truyền năng lượng dinh dưỡng trong một hệ sinh thái nhất định.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn cần chứng minh rằng thuyết vi khuẩn ăn vi rút tồn tại ngoài tự nhiên chứ không phải chỉ có trong phòng thí nghiệm. Nếu đúng như vậy, có vẻ như có khả năng xảy ra, khám phá này có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về hệ sinh thái vi sinh vật.

Vi khuẩn là một nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ (kích thước hiển vi) và thường có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân, bộ khung tế bào (cytoskeleton) và các bào quan như ty thể và lục lạp. Cấu trúc tế bào của vi khuẩn được miêu tả chi tiết trong mục sinh vật nhân sơ vì vi khuẩn là sinh vật nhân sơ, khác với các sinh vật có cấu trúc tế bào phức tạp hơn gọi là sinh vật nhân chuẩn.

Vi khuẩn là nhóm hiện diện đông đảo nhất trong sinh giới. Chúng hiện diện khắp nơi trong đất, nước, chất thải phóng xạ, suối nước nóng và ở dạng cộng sinh và ký sinh với các sinh vật khác, và được biết là phát triển mạnh mẽ trong các tàu không gian có người lái

Hầu hết vi khuẩn có kích thước nhỏ, thường chỉ khoảng 0.5-5.0 μm, mặc dù có loài có đường kính đến 0,3mm (Thiomargarita). Chúng thường có vách tế bào, như ở tế bào thực vật và nấm, nhưng với thành phần cấu tạo rất khác biệt (peptidoglycan). Nhiều vi khuẩn di chuyển bằng tiên mao (flagellum) có cấu trúc khác với tiên mao của các nhóm khác. Chúng có tổng khối lượng trên dưới 0,2 kg ở một người khoẻ mạnh nặng 70 kg, tập trung chủ yếu ở ruột già và ruột non.

Vi rút còn được gọi là siêu vi, siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng là một tác nhân truyền nhiễm chỉ nhân lên được khi ở bên trong tế bào sống của một sinh vật khác. Vi rút có thể xâm nhiễm vào tất cả các dạng sinh vật, từ động vật, thực vật cho tới vi khuẩn và cổ khuẩn. Một vi rút có kích thước trung bình vào khoảng 1/100 kích cỡ trung bình của một vi khuẩn.

Vi rút được tìm thấy ở hầu hết mọi hệ sinh thái trên Trái Đất và là dạng có số lượng nhiều nhất trong tất cả các thực thể sinh học. 

Các phần tử (hay hạt) vi rút được tạo thành từ hai hoặc ba bộ phận: phần vật chất di truyền được tạo nên từ DNA hoặc RNA – những phân tử dài có mang thông tin di truyền, một lớp vỏ protein – được gọi với tên capsid – có chức năng bảo vệ hệ gen và một lớp vỏ bọc bên ngoài làm từ lipid mà bao bọc bên ngoài lớp vỏ protein khi vi rút ở ngoài tế bào (chỉ có trong một số trường hợp).