Sức sống mãnh liệt của tế bào thách thức tri thức nhân loại

“Nghe này, lịch sử tiến hóa đã dạy chúng ta rằng sự sống sẽ không bị kìm hãm. Sự sống sẽ phá vỡ mọi giới hạn. Nó mở rộng sang các khu vực mới và vượt qua các rào cản bất chấp đau đớn, thậm chí có thể chịu nguy hiểm...” - đó là lời thoại của nhân vật Ian Malcolm khẳng định về sự sống mãnh liệt (trong phim Công viên kỷ Jura, bộ phim khoa học viễn tưởng năm 1993 kể về một công viên hồi sinh lại được khủng long).

Các nhà làm phim không hề quá lời trong lời thoại trên. Nhà sinh vật học tiến hóa Jay T. Lennon, Giáo sư tại Khoa Sinh học của Trường đại học Nghệ thuật và khoa học (Đại học Indiana Bloomington) và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng sự sống rất mãnh liệt. Nó thực sự có cách để tồn tại. Nhóm nghiên cứu của Lennon đang nghiên cứu một tế bào có cấu tạo tổng hợp ở dạng tối giản sau khi đã loại bỏ tất cả các thành phần, trừ các gien thiết yếu của nó. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng tế bào được sắp xếp hợp lý có thể tiến hóa nhanh như tế bào bình thường - thể hiện khả năng thích nghi của các sinh vật, ngay cả với một bộ gien phi tự nhiên và thiếu nhiều chức năng.

Lennon nói: “Dường như có điều gì đó về sự sống thực sự mạnh mẽ. Chúng ta có thể đơn giản hóa nó (tế bào) xuống chỉ còn những yếu tố cần thiết nhất, nhưng điều đó không ngăn cản quá trình tiến hóa hoạt động”.

Đối với nghiên cứu của họ, nhóm của Lennon đã sử dụng sinh vật tổng hợp, Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B - một phiên bản thu nhỏ của vi khuẩn M.mycoides thường được tìm thấy trong ruột dê và các động vật ăn cỏ tương tự. Trải qua hàng thiên niên kỷ, vi khuẩn ký sinh đã mất đi nhiều gien qua quá trình chọn lọc tự nhiên khi nó tiến hóa để thích nghi hơn với nguồn dinh dưỡng từ vật chủ.

Các nhà nghiên cứu tại Viện J. Craig Venter ở California đã tiến thêm một bước nữa. Vào năm 2016, họ đã loại bỏ 45% trong số 901 gien khỏi bộ gien tự nhiên của M.mycoides, biến nó thành bộ gien nhỏ nhất cần thiết cho sự sống của tế bào độc lập. Với 493 gien, bộ gien tối thiểu của M.mycoides JCVI-syn3B là bộ gien nhỏ nhất trong số các sinh vật mà con người đã biết. Cần nhớ rằng nhiều bộ gien của động vật và thực vật chứa hơn 20.000 gien.

Về nguyên tắc, sinh vật đơn giản nhất sẽ không có dư thừa chức năng và chỉ sở hữu số lượng gien tối thiểu cần thiết cho sự sống. Bất kỳ đột biến nào trong một sinh vật như vậy có thể dẫn đến tiêu diệt một hoặc nhiều chức năng của tế bào, đặt ra những hạn chế đối với quá trình tiến hóa và do đó dẫn đến hạn chế cơ hội thích nghi.

Mặc dù M.mycoides JCVI-syn3B có thể phát triển và sinh sôi trong điều kiện phòng thí nghiệm, Lennon và các đồng nghiệp muốn biết cách một tế bào tối giản sẽ phản ứng với các động lực tiến hóa theo thời gian như thế nào.

Lennon nói về M.mycoides JCVI-syn3B: “Mỗi gien đơn lẻ trong bộ gien của nó đều cần thiết. Người ta có thể đưa ra giả thuyết rằng không có chỗ cho các đột biến, điều này có thể hạn chế tiềm năng phát triển của nó. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã xác định rằng M. mycoides JCVI-syn3B có tỷ lệ đột biến đặc biệt cao".

Các nhà nghiên cứu đã nuôi nó trong phòng thí nghiệm, nơi nó được phép tiến hóa tự do trong 300 ngày, tương đương với 2.000 thế hệ vi khuẩn hoặc khoảng 40.000 năm tiến hóa của loài người.

Bước tiếp theo là thiết lập các thí nghiệm để xác định xem các tế bào tối giản đã tiến hóa trong 300 ngày hoạt động như thế nào so với M.mycoides ban đầu, với M.mycoides không tối giản cũng như với một dòng tế bào tối giản đã không tiến hóa trong 300 ngày . Trong các thử nghiệm so sánh, các nhà nghiên cứu cho một lượng bằng nhau các chủng được đánh giá vào cùng một ống nghiệm. Chủng thích nghi hơn với môi trường sẽ trở thành chủng phổ biến hơn.

Họ phát hiện ra rằng phiên bản không tối giản của vi khuẩn M.mycoides vượt trội so với phiên bản tối giản chưa tiến hóa. Tuy nhiên, vi khuẩn M.mycoides tối giản đã tiến hóa trong 300 ngày lại có “màn trình diễn” tốt hơn nhiều, phục hồi hiệu quả tất cả các sức mạnh mà nó đã mất do bị cắt giảm trong bộ gien. Các nhà nghiên cứu đã xác định được những gien thay đổi nhiều nhất trong quá trình tiến hóa. Một số gien này tham gia vào việc xây dựng tế bào, trong khi chức năng của một số gien khác vẫn chưa được biết.

Hiểu cách các sinh vật có bộ gien đơn giản hóa vượt qua các thách thức tiến hóa có ý nghĩa quan trọng đối với các vấn đề tồn tại dai dẳng trong sinh học, gồm cả điều trị mầm bệnh lâm sàng, sự tồn tại của các nội cộng sinh liên quan đến vật chủ, sự tinh chế của các vi sinh vật được xử lý công nghệ và nguồn gốc của chính sự sống.

Nghiên cứu do Lennon và nhóm của ông thực hiện đã chứng minh sức mạnh của chọn lọc tự nhiên trong việc nhanh chóng tối ưu hóa khả năng thích nghi trong sinh vật đơn giản nhất, với những tác động đối với sự tiến hóa của sự phức tạp của tế bào. Nói cách khác, nó cho thấy rằng sự sống luôn tìm được cách thích nghi để tồn tại và phát triển.