Vi khuẩn cũng không khác chúng ta

HÓA RA VI KHUẨN CŨNG KHÔNG KHÁC CHÚNG TA

Tác giả: Madeline Barron, Ph.D.

 Bạn đừng nghĩ chỉ có con người mới có nhu cầu nhận họ nhận hàng. Thực ra đó là hành vi của tất cả mọi sinh vật trong cái cây sự sống. Từ cá đến côn trùng và cuối cùng là con người, khả năng nhận ra họ hàng của sinh vật (tức là các cá thể có liên quan đến di truyền) chia thành những phân nhánh hành vi quan trọng—tựu chung các sinh vật thường giúp đỡ hoặc hợp tác với những kẻ giống chúng nhất. Hóa ra, vi khuẩn cũng không khác chúng mình!

Thật vậy, sự công nhận họ hàng được liên kết chặt chẽ với các hành vi hợp tác của vi sinh vật (ví dụ: hình thành các tập hợp đa bào, tiết ra “hàng hóa công cộng” có lợi cho cộng đồng, v.v.). Nhưng chính xác thì việc nhận dạng họ hàng của vi sinh vật hoạt động như thế nào —và nó có thể dạy cho các nhà khoa học điều gì về sự tiến hóa của sự sống như chúng ta biết?

 Tại sao các sinh vật hợp tác? Cơ sở tiến hóa của nhận diện họ hàng

 Từ quan điểm tiến hóa, hợp tác là một phần của câu đố. Theo Daniel Wall, GS Tiến sĩ sinh học phân tử tại Đại học Wyoming, “Học thuyết Darwin đưa ra thông điệp cơ bản là “Tôi mạnh nhất và tôi tồn tại.” Hợp tác dường như không có chỗ đứng trong cạnh tranh sinh tồn. Nói cách khác, tại sao tôi phải dành nguồn lực giúp đỡ kẻ khác để đôi khi gây bất lợi cho chính mình?

Mặt khác, lý thuyết họ hàng gần cho rằng bằng cách giúp họ hàng của mình tồn tại và sinh sản, một sinh vật truyền gen cho thế hệ tiếp theo, mặc dù theo hình thức gián tiếp (thể lực của một sinh vật dựa trên cả khả năng sinh sản của chính nó cũng như khả năng sinh sản của họ hàng). Như vậy, các sinh vật càng có quan hệ họ hàng gần (càng chia sẻ nhiều gen) thì khả năng hợp tác càng cao. Nhận họ nhận hàng đảm bảo các sinh vật hợp tác với những sinh vật khác có bản thiết kế di truyền giống nhau/tương tự.

Một đàn cá

Nguồn: Cao đẳng OpenStax/Wikimedia Commons

Hợp tác cũng mang lại cho các cá thể những ưu thế khác, chẳng hạn làm cho nó có khả năng sinh tồn cao hơn. Ví dụ, trong một đàn cá, “con cá nhận ra rằng những con cá khác trong đàn là anh em của mình và là một phần trong đám đông,” Wall nói. “Và hành vi này cũng được hiểu như hợp tác nhóm, để phòng thủ chống lại sự săn mồi.”

 Nhận họ hàng và hợp tác

Dưới ánh sáng đó, vi khuẩn thực hiện hành vi hợp tác trong việc công nhận họ hàng. Wall nêu ra trường hợp vi khuẩn myxobacteria – một nhóm vi khuẩn săn mồi, sống trong đất và là trọng tâm của phòng thí nghiệm của ông –  như một ví dụ điển hình. Trong thời gian thiếu chất dinh dưỡng, vi khuẩn myxobacteria tập hợp lại để hình thành cơ thể đậu quả —cấu trúc đa bào, giống như thân cây—có chứa các bào tử có sức đề kháng với môi trường. Khi điều kiện được cải thiện, các bào tử nảy mầm thành các tế bào sinh dưỡng, nhờ vậy mà đảm bảo sự tồn tại của quần thể.

Myxobacteria hình thành cơ thể đậu quả trong thời gian đói dinh dưỡng.

Nguồn: Mauriello EMF et al./Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2010

Tế bào Myxobacteria “thường ở trong những môi trường rất phức tạp được tạo thành từ nhiều loại vi khuẩn khác nhau, hoặc thậm chí thuộc nhiều dòng khác nhau không nhất thiết phải hòa hợp với nhau,” Wall giải thích. Để tạo ra một cơ thể đậu quả, các tế bào vi khuẩn myxobacteria phải xác định ai là anh chị em của chúng giữa đám đông vi khuẩn. Hơn nữa, chỉ một phần vi khuẩn myxobacteria trong thể đậu quả sẽ sống sót—phần còn lại (lên đến 80%) sẽ chết. Wall cho biết: “Các tế bào đang hy sinh tối đa để cung cấp chất dinh dưỡng cho các tế bào khác trải qua chương trình phát triển [cơ thể đậu quả] tốn kém. Sự hy sinh này chỉ đáng giá – về mặt tiến hóa – nếu những kẻ hưởng lợi truyền bá các đặc điểm của các tế bào hy sinh.”

“Theo cách thức này, vi khuẩn thực hiện một loạt các quá trình sinh học bằng cách tiết ra các phân tử liên quan đến mọi thứ, từ phòng thủ đến giao tiếp. Ví dụ, nhiều vi khuẩn tiết ra siderophore để loại bỏ sắt — một nguyên tố quan trọng cho sự phát triển của vi sinh vật — từ môi trường của chúng. Những “hàng hóa công cộng” này rất tốn kém để sản xuất ra và “một khi [một] phân tử rời khỏi tế bào, thì tế bào đó có rất ít quyền kiểm soát đối với nó. Vì vậy, bất kỳ tế bào nào khác trong quần thể đều có thể sử dụng nó,” Wall lưu ý. “Sự công nhận họ hàng cho phép vi khuẩn giải phóng “hàng hóa công cộng” vào những thời điểm mà chúng có thể bị khai thác bởi các sinh vật có quan hệ gần gũi hơn là các đối thủ cạnh tranh.”

 Làm thế nào để vi khuẩn nhận ra anh em họ của chúng? 

 Công nhận họ hàng dựa trên mối quan hệ di truyền giữa các sinh vật. Khi vi khuẩn sinh sản vô tính, các tế bào con cháu giống hệt nhau về mặt di truyền. Tuy nhiên, vẫn có biến thể di truyền trong quần thể lớn hơn, do đó các tế bào lân cận không nhất thiết phải là dòng vô tính. Ngoài ra, chuyển gen ngang đang lan tràn trong một số hốc sinh thái và các “gen xã hội” mới thu được có thể làm thay đổi tính đặc hiệu của một dòng họ. Thông thường, những thay đổi đối với một gen đơn lẻ hoặc một bộ gen sẽ làm thay đổi khả năng nhận dạng họ hàng của vi sinh vật. Như vậy, “các yếu tố chính là tập hợp con của các gen liên quan đến các tương tác xã hội,” Wall giải thích.

Trao đổi màng ngoài giữa các tế bào myxobacteria.

Nguồn: Vassallo CN và cộng sự/mBio, 2021

Cuối cùng, sự nhận dạng họ hàng trong Myxococcus xanthus, một loại myxobacterium phổ biến, phụ thuộc vào 2 thụ thể bề mặt, TraA và TraB. TraA – yếu tố quyết định khả năng nhận dạng – có tính đa hình cao và các chủng M. xanthus khác nhau thường có các phiên bản TraA khác nhau. Wall cho biết: “Sự thay đổi trình tự trong TraA mang lại tính đặc hiệu. Để các tế bào nhận ra nhau, chúng phải có các phiên bản TraA giống hệt nhau (hoặc rất giống nhau). Nếu một tế bào chạm vào tế bào lân cận của nó và “tế bào có biến thể [TraA] giống hệt nhau, thì điều đó cho thấy rằng tế bào đó có quan hệ họ hàng cao và có khả năng là dòng vô tính [nghĩa là giống hệt nhau về mặt di truyền hoặc gần giống nhau], bởi vì tế bào đó cũng ở trong cùng một môi trường.”

Nếu tương thích, các thụ thể liên kết bằng các tương tác đồng hình và vi khuẩn myxobacteria sau đó tham gia vào các hành vi hợp tác, như tập hợp hoặc trao đổi màng ngoài (OME) , một quá trình trong đó vi khuẩn trao đổi protein và lipid. Thông qua OME, “một tế bào có thể chữa lành một tế bào khác khỏi bị hư hại, [hoặc] nó có thể khôi phục các kiểu hình bị lỗi bằng cách chuyển các protein cho một tế bào khác bị thiếu,” Wall nhấn mạnh đến bản chất vị tha của quá trình nhận họ hàng này.

Giống như hệ thống TraA trong myxobacteria, nhận dạng họ hàng phụ thuộc vào tiếp xúc cũng xảy ra ở vi khuẩn gây nhiễm trùng đường tiết niệu Proteus mirabilis hay Dictyostelium discoideum (nấm nhầy) và Saccharomyces cerevisiae (men bia).. Công nhận cũng có thể xảy ra thông qua các cơ chế gián tiếp. Cảm biến đại biểu là một ví dụ—tín hiệu giải phóng vi khuẩn được gọi là chất tự động liên kết với thụ thể nhận thức trên các tế bào khác. Khi vi khuẩn sinh sản, tín hiệu sẽ tập trung hơn. Khi đạt đến ngưỡng, biểu hiện gen trong quần thể sẽ thay đổi, dẫn đến kết quả hợp tác. Quá trình này đảm bảo vi khuẩn đưa năng lượng và tài nguyên vào các hành vi, chẳng hạn như hình thành màng sinh học, sản xuất yếu tố độc lực và phát quang sinh học, khi điều đó có lợi nhất cho quần thể hợp tác.

Hợp tác hay là ức chế?

Lẽ thường, việc nhận ra những sinh vật giống mình thường ít hơn việc phân biệt với những kẻ không giống mình. Thật vậy, vi khuẩn tiết ra các hợp chất (ví dụ, bacteriocin) có lợi cho họ hàng gần bằng cách loại bỏ những kẻ không phải họ hàng. Ví dụ, một số chủng Escherichia coli tiết ra colicin, độc tố phá hủy màng tế bào vi khuẩn. Các chủng tạo ra colicin có protein miễn dịch bảo vệ chúng khỏi độc tố, trong khi các chủng không chứa protein miễn dịch sẽ chết. Trong một quần thể gồm nhiều chủng hỗn hợp, các tế bào sống sót có nhiều khả năng có quan hệ họ hàng với nhau. 

Tương tự, đối với vi khuẩn myxobacteria, 2 tế bào có thể có các thụ thể TraA tương thích và trải qua OME, trong đó “chúng trao đổi hàng trăm loại protein và lipid khác nhau,” Wall cho biết. “Trong bộ sưu tập đó, [cũng] có cả một bộ độc tố đa hình. Nếu tế bào kia thực sự là dòng vô tính thì nó sẽ có các protein miễn dịch cùng nguồn gốc với bộ độc tố đang được chuyển giao và tế bào đó sẽ ổn. Nhưng, nếu đó là một tế bào tình cờ có một biến thể TraA tương thích, nhưng nó không phải là dòng vô tính, thì sẽ có sự đối kháng gây ra bởi sự trao đổi các chất độc này.” Điều này làm nổi bật cách vi khuẩn thường sử dụng phương pháp tiếp cận 2 hướng, sử dụng cơ chế nhận dạng và phân biệt để tìm họ hàng của chúng.

 Tại sao việc nghiên cứu hành vi nhận họ hàng của vi sinh vật lại quan trọng?

 Nghiên cứu các cơ chế nhận biết, phân biệt đối xử và hợp tác họ hàng của vi sinh vật có thể mang lại những hiểu biết quan trọng về động lực hành vi của quần thể vi sinh vật, bao gồm cả những vi sinh vật liên quan đến sức khỏe con người, như hệ vi sinh vật đường ruột. Tuy nhiên, Wall lưu ý rằng những lợi ích vượt xa sự hiểu biết về các tương tác của vi sinh vật.

Ông nói: “Nhận diện họ hàng ở động vật là một quá trình phức tạp. Nó thường liên quan đến 5 giác quan và nhận thức. Vì vậy, chúng có các tín hiệu thị giác, mùi vị và xúc giác, v.v.” Do đó, việc cố gắng tách rời các cơ chế nhận dạng phân tử trở nên “phức tạp”. Vi khuẩn không có não và đơn giản hơn về mặt di truyền. Chúng cung cấp một nền tảng có thể kiểm soát được bằng thực nghiệm để xác định nền tảng di truyền và phân tử của việc nhận dạng họ hàng, điều này có thể cung cấp kiến ​​thức cho các nhà khoa học về quá trình này ở quy mô rộng hơn.

 Vi khuẩn Myxococcus xanthus.

Nguồn: Ronald Garcia/Wikimedia Commons

Hơn nữa, Wall cho rằng việc tìm hiểu về kết quả hợp tác của việc nhận dạng họ hàng, đặc biệt là ở vi khuẩn myxobacteria, có thể giúp giải quyết một số câu hỏi cơ bản trong sinh học tiến hóa. Ví dụ: “Tại sao vi khuẩn không phát triển sự sống đa bào phức tạp như sinh vật nhân thực? Chúng đa dạng hơn rất nhiều, chúng đã tồn tại lâu hơn rất nhiều…rõ ràng là có những rào cản tiến hóa để phát triển sự sống đa bào, phức tạp.”

Vi khuẩn Myxobacteria, sinh vật nhân sơ duy nhất được biết chuyển đổi từ lối sống đơn bào sang đa bào, cung cấp một khởi đầu tuyệt vời để trả lời câu hỏi này. Ông nói: “Chúng kết hợp các tế bào [có liên quan] với nhau từ môi trường của chúng để tạo ra một sinh vật đa bào. Bằng cách so sánh cách tiếp cận đa bào tổng hợp này với cách tiếp cận của thực vật và động vật (tức là quá trình thụ tinh, phân chia và biệt hóa liên tục của tế bào trứng), Wall tin rằng “chúng ta có thể hiểu rõ hơn về lịch sử tiến hóa của sự phát triển đa bào”.