Nguồn: “A tiny creature illuminates an important biological advance”, The Economist, 20/03/2021.
Biên dịch: Nguyễn Thanh Hải
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.
