Nhóm các thực khuẩn thể khổng lồ mới thu hẹp khoảng cách giữa sống và không sống
Các nhà khoa học đã phát hiện hàng trăm loại thực khuẩn thể (bacteriophage, hay phage – virus ăn vi khuẩn) lớn bất thường, mang những đặc điểm của sinh vật sống; chúng làm mờ ranh giới giữa các vi sinh vật sống và các cỗ máy sao chép.
Những thực khuẩn thể khổng lồ này có kích thước và độ phức tạp có thể đạt đến mức điển hình của sự sống, mang nhiều gen thường thấy ở vi khuẩn và sử dụng các gen này chống lại vật chủ vi khuẩn.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley và cộng sự đã tìm thấy những virus ăn vi khuẩn khổng lồ này bằng cách truy quét một cơ sở dữ liệu ADN lớn mà họ tạo ra từ gần 30 môi trường khác nhau trên Trái đất, từ đường ruột của trẻ sơ sinh và phụ nữ mang thai đến suối nước nóng Tây Tạng, lò phản ứng sinh học ở Nam Phi, phòng bệnh viện, đại dương, hồ và sâu dưới lòng đất.
Tổng cộng họ đã xác định được thực khuẩn thể khổng lồ khác nhau, tất cả đều có bộ gen lớn gấp ít nhất bốn lần kích thước hệ gen trung bình của virus ăn vi khuẩn thông thường.
Trong số này có thực khuẩn thể lớn nhất được phát hiện cho đến nay: bộ gen của thực khuẩn thể khổng lồ có chiều dài xấp xỉ 735.000 bp, lớn hơn gần 15 lần so với thực khuẩn thể trung bình. Bộ gen phage lớn nhất từng được biết đến này còn lớn hơn nhiều so với bộ gen của nhiều loài vi khuẩn.
“Chúng tôi đang khám phá các hệ vi sinh của Trái đất, và đôi khi những điều bất ngờ xuất hiện,” Jill Banfield, giáo sư về khoa học trái đất và hành tinh của UC Berkeley, đồng thời là tác giả của bài báo công bố về những phát hiện này, đăng trên tạp chí Nature hôm 12 tháng Hai.
“Các phage lớn này đã thu hẹp khoảng cách giữa các thực khuẩn thể không sống với vi khuẩn thực và cổ khuẩn (Archaea). Dường như có những chiến lược sinh tồn thành công tạo ra bởi sự pha trộn giữa ý niệm về virus truyền thống với các sinh vật truyền thống.
Một điều đặc biệt, bên trong ADN của những thực khuẩn thể khổng lồ này là một phần của hệ thống CRISPR, thứ mà vi khuẩn sử dụng để chống lại virus xâm nhập. Có khả năng rằng một khi các phage này truyền ADN của chúng vào vi khuẩn, hệ thống CRISPR của virus đã bồi đắp vào hệ thống CRISPR của vi khuẩn chủ, có lẽ chủ yếu nhắm vào các virus khác.
“Thật thú vị khi những phage này đã tái sử dụng hệ thống này: cái mà chúng tôi nghĩ là vi khuẩn hoặc cổ khuẩn sử dụng để chống lại sự tấn công của virus, nay lại được dùng để thúc đẩy sự tranh giành vật chủ giữa các virus,” Basem Al-Shayeb, sinh viên đại học UC Berkeley nói. Al-Shayeb và cộng sự Rohan Sachdeva là đồng tác giả đứng đầu của bài báo Nature.
Giải trình tự gen các hệ sinh vật Trái đất
Trong hơn 15 năm, Banfield đã khám phá sự đa dạng của vi khuẩn, cổ và phage trong các môi trường khác nhau trên hành tinh. Bà ấy làm điều này bằng cách giải trình tự tất cả các ADN trong một mẫu và sau đó ghép các đoạn lại với nhau để tập hợp các hệ gen nháp hoặc, trong một số trường hợp, hệ gen của các vi sinh vật chưa từng thấy.
Trong quá trình này, bà đã phát hiện ra rằng nhiều vi sinh vật mới có bộ gen cực kỳ nhỏ, dường như không đủ để duy trì sự sống độc lập. Thay vào đó, chúng dường như phụ thuộc vào vi khuẩn và cổ khuẩn khác để sống sót.
Một năm trước, Banfield đã báo cáo rằng một số phage lớn nhất, phage Lak, có thể được tìm thấy trong ruột và miệng của chúng ta, nơi chúng lây nhiễm vào hệ vi sinh trong đường ruột và nước bọt.
Bài báo mới trên Nature đã ra đời từ một cuộc tìm kiếm kỹ lưỡng hơn về các phage khổng lồ trong tất cả các thư viện metagenomic Banfield đã tích lũy, cộng với các thư viện metagenome mới được cung cấp bởi các cộng tác viên nghiên cứu trên toàn cầu. Các metagenomes đến từ khỉ đầu chó, lợn, nai Alaska, mẫu đất, đại dương, sông, hồ và nước ngầm, và bao gồm cả những người Bangladesh đã uống nước nhiễm arsen.
Mười nhóm thực khuẩn thể khổng lồ
Nhóm nghiên cứu từ đó xác định được 351 bộ gen của phage dài hơn 200 kb, gấp bốn lần chiều dài bộ gen của phage trung bình là 50 kb. Họ đã có thể thiết lập chiều dài chính xác của 175 bộ gen phage; những bộ gen khác có thể lớn hơn 200 kb. Một trong những bộ gen hoàn chỉnh, dài 735.000 bp, hiện là bộ gen thực khuẩn thể lớn nhất được biết đến.
Các nhà nghiên cứu đã chia 351 megaphage thành 10 nhóm mới, tức các ‘clade’, dựa theo từ “big” (lớn) khi dịch ra các ngôn ngữ của các đồng tác giả: Mahaphage (tiếng Phạn), Kabirphage, Dakhmphage và Jabbarphage (tiếng Ả Rập); Kyodaiphage (tiếng Nhật); Biggiephage (Úc), Whopperphage (Mỹ); Judaphage (Trung Quốc), Enormephage (tiếng Pháp); và Kaempephage (tiếng Đan Mạch).
Một họ các thực khuẩn thể khổng lồ, được xây dựng từ trình trịnh gen terminase của phage. Các vòng từ trong ra ngoài thể hiện sự có mặt của hệ thống CRISPR-Cas, Ngành của vi khuẩn chủ, môi trường lấy mẫu và kích thước hệ gen. Mười nhóm (clade) phage mới xác định được liệt kê bên trái. (Nguồn: đồ họa thuộc UC, theo Jill Banfield lab)
Trong khi hầu hết các gen trong các phage khổng lồ này mã hóa cho các protein chưa biết, các nhà nghiên cứu có thể xác định các gen mã hóa protein thuộc ribosome, bộ máy dịch RNA thông tin thành protein. Những gen như vậy thường không được tìm thấy trong virus thông thường, chỉ có ở vi khuẩn hoặc cổ khuẩn.
Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy nhiều gen mã hóa RNA vận chuyển (tRNA); gen cho protein vận chuyển và điều hòa tRNA; gen má hóa protein khởi động dịch mã và thậm chí là các mảnh của ribosome.
“Thông thường, thứ tách biệt giữa “sống” và “không sống” là dựa vào câu hỏi có ribosome và khả năng dịch mã hay không; đó là một trong những đặc điểm chính xác định ranh giới của virus và vi khuẩn, vô sinh và hữu sinh,” ông Sach Sachdeva nói. “Một số phage lớn có nhiều bộ máy dịch mã, vì vậy chúng làm mờ ranh giới đi một chút.
Các phage khổng lồ có khả năng sử dụng các gen này để điều khiển các ribosome nhằm tạo ra nhiều bản sao protein của chính nó, trong khi sử dụng nguyên liệu từ vi khuẩn. Một số phage khổng lồ cũng có bộ mã di truyền thay thế, có thể gây nhầm lẫn cho ribosome của vi khuẩn khi dịch mã RNA.
Protein Cas mới
Một trong những phage khổng lồ cũng có thể tạo ra protein tương tự protein Cas9, một phần của CRISPR-Cas9 mà Jennifer Doudna từ UC Berkeley và Emmanuelle Charpentier, đã cải tiến để làm công cụ chỉnh sửa gen. Nhóm của giáo sư Banfield gọi protein đó là CasØ, vì Ø (phi) vốn được các nhà khoa học dùng để ký hiệu cho thực khuẩn thể.
Ngoài ra, một số thực khuẩn thể khổng lồ mới được phát hiện mang gen cho các biến thể của protein Cas được tìm thấy trong nhiều hệ thống CRISPR của vi khuẩn, chẳng hạn như các họ Cas9, Cas12, CasX và CasY. Một số phage khổng lồ cũng có các chuỗi CRISPR, là khu vực vốn thuộc bộ gen vi khuẩn với chức năng miễn dịch virus.
Minh họa một thực khuẩn thể khổng lồ (đỏ, bên trái) và thực thực khuẩn thể thông thường đang lây nhiễm một tế bào vi khuẩn. Phage khổng lồ tiêm DNA của nó vào tế bào chủ, nơi các protein Cas – một phần của hệ thống miễn dịch CRISPR ở vi khuẩn – điều khiển tế bào chủ để phản ứng lại các virus khác. (Nhóm UC Berkeley vẫn chưa chụp được hình ảnh của bất kỳ phage khổng lồ nào, vì thế minh họa dựa theo phage phổ biến nhất là T4.) (Nguồn: đồ họa thuộc UC, theo Jill Banfield lab)
Từ các phage lớn này, có rất nhiều tiềm năng để tìm kiếm các công cụ mới cho kỹ thuật di truyền,” ông Sach Sachdeva nói. Nhiều loại gen mà chúng tôi tìm thấy ở đây chưa từng được biết đến trước đó, chúng chưa có chức năng giả định nào và có thể là nguồn protein mới cho các ứng dụng công nghiệp, y tế hoặc nông nghiệp.
Bên cạnh việc cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cuộc chiến không ngừng giữa các phage và vi khuẩn, những phát hiện mới cũng có ý nghĩa đối với các bệnh của con người. Virus, nói chung, mang gen từ tế bào này sang tế bào khác, bao gồm cả các gen có khả năng kháng kháng sinh. Và vì các phage có mặt ở bất cứ nơi nào vi khuẩn và cổ khuẩn sống, bao gồm cả hệ vi sinh vật đường ruột của con người, chúng có thể mang các gen gây hại vào vi khuẩn cư trú trên con người.
“Một số bệnh gián tiếp gây ra bởi các phage, bởi vì các phage có thể chuyển dịch các gen liên quan đến sinh bệnh học và kháng kháng sinh,” theo Banfield, giám đốc nghiên cứu vi sinh vật tại Viện Genomics đổi mới (IGI). “Và bộ gen càng lớn, khả năng truyền các gen đó càng lớn và khả năng cung cấp các gen không mong muốn cho vi khuẩn trong hệ vi sinh của người càng cao.”
iceberg
tapchisinhhoc.com
