Những virus có bộ gen "ngoài hành tinh" sẽ khiến sách giáo khoa sinh học phải được viết lại
Các cặp cơ sở theo nguyên tắc bổ sung A-T G-C không còn giữ vị trí độc quyền nữa, thay vào đó một cặp Z-T mới sẽ xuất hiện.
Hãy chọn đáp án đúng. Trong nguyên tắc bổ sung, các nucleotide trong DNA và RNA liên kết với nhau theo các cặp nào?
A. T liên kết với C bằng 2 liên kết hydro, A liên kết với G bằng 3 liên kết hydro
B. C liên kết với A bằng 3 liên kết hydro, T liên kết với G bằng 2 liên kết hydro
C. A liên kết với T bằng 2 liên kết hydro, G liên kết với C bằng 3 liên kết hydro
D. A liên kết với T bằng 3 liên kết hydro, G liên kết với C bằng 2 liên kết hydro
Bất cứ ai từng vật lộn với môn sinh học thời phổ thông đều nhớ đáp án của câu hỏi trắc nghiệm này là C. Trong nguyên tắc bổ sung, nucleotide A trong DNA (viết tắt cho Adenine) thì phải liên kết với T (Thymine) bằng 2 liên kết hydro. G (viết tắt của Guanine) thì phải liên kết với C (Cytosine) bằng 3 liên kết hydro. Không có ngoại lệ!
Đó là những gì chúng ta đã được học. Nhưng trong 3 nghiên cứu mới trên tạp chí Science, các nhà khoa học đã phát hiện ra những chủng virus có mang một nucleotide mới được gọi là 2-aminoadenine (ký hiệu là Z). Trong bộ gen của chúng, nucleotide Z sẽ thay thế cho A và liên kết với T bằng 3 liên kết hydro.
Điều đáng nói là các phân tử 2-aminoadenine (Z) này trước đây từng được phát hiện trên một thiên thạch ngoài Trái Đất. Nó đặt ra một giả thuyết về nguồn gốc của các sinh vật có thể đến từ ngoài hành tinh. Thực tế không thể phủ nhận, những virus mang bộ gen ZTGX cũng khác biệt hẳn so với tất cả các sinh vật còn lại trên Trái Đất.
Những virus mang bộ gen "ngoài hành tinh"
Khi bạn tự thu nhỏ bản thân mình xuống thế giới của các loài vi sinh vật, bạn sẽ thấy đó là một chiến trường hết sức khốc liệt. Vi khuẩn lây nhiễm con người, nhưng chính bản thân chúng cũng bị lây nhiễm bởi virus.
Những con virus này được gọi là thể thực khuẩn - hay những sinh vật ăn vi khuẩn. Một khi xâm nhập được vào trong tế bào, chúng có thể chiếm quyền kiểm soát bộ gen vi khuẩn, thao túng tế bào chất của nó để nhân lên và tạo ra hàng triệu virus khác.
Tới một số lượng đủ lớn, những con virus sẽ xé toạc màng của tế bào và thoát ra ngoài, chúng tiếp tục đi tìm kiếm và lây nhiễm các vi khuẩn khác.
Để chống lại thể thực khuẩn, các vi khuẩn thường phát triển những cơ chế nhận diện được RNA của virus. Để mỗi khi chúng phát hiện ra virus xâm nhập, vi khuẩn sẽ dùng một protein được gọi là Cas9 cắt tan RNA của thể thực khuẩn, khiến chúng không thể lây nhiễm được nữa.
Đây là một cơ chế miễn dịch phòng vệ hết sức tinh vi của vi khuẩn. Nhưng tất nhiên, virus cũng có thể phát triển các chiến lược thông minh để chống lại sự phát hiện của vi khuẩn.
Năm 1977, các nhà khoa học đã phát hiện một chủng virus có tên cyanophage S-2L đã đưa cuộc chạy đua vũ trang của giống loài mình lên tầm cao mới. Giải mã trình tự bộ gen của cyanophage S-2L cho thấy virus này sở hữu một bộ gen DNA bất thường. Thay vì có các nucleotide A liên kết đôi với T, nó đã được thay thế bằng một phân tử 2-aminoadenine (Z) với liên kết 3.
Điều này không chỉ giúp chúng trốn tránh khỏi các cơ chế phát hiện của vi khuẩn, liên kết 3 thay cho liên kết đôi cũng đã giúp DNA của virus bền hơn và không bị cắt đứt bởi các chất hóa học mà vi khuẩn tiết ra như nucleaza.
Điều đặc biệt hơn ở chỗ, các phân tử 2-aminoadenine (Z) từng được tìm thấy trên các thiên thạch giàu carbon. Một ngụ ý giải thích cho lý do tại sao các virus này lại có bộ gen khác biệt hoàn toàn với các sinh vật khác trên Trái Đất.
2-aminoadenine (Z) từng cuốn hút vô số nhà khoa học lao vào cuộc đua tìm hiểu bản chất của nó. Nhưng con đường ấy quả thực không dễ dàng. Ngoài cyanophage S-2L, họ không tìm được thêm một virus này chứa nucleotide Z, và việc nuôi cấy chủng virus này trong phòng thí nghiệm cũng rất khó khăn.
Thực tế nữa là nếu không có chủng virus nào ngoài nó chứa nucleotide Z, các nhà khoa học nghĩ rằng họ có thể tạm bỏ chúng sang một bên và tập trung nghiên cứu các sinh vật còn lại trên Trái Đất, với bộ gen tiêu chuẩn ATGC.
Những khám phá mới viết lại sách giáo khoa sinh học
Bẵng đi một thời gian khoảng 5 thập kỷ, bây giờ, một loạt 3 bài báo khoa học đăng trên tạp chí Science đã cho thấy cyanophage S-2L không phải là sinh vật dị biệt duy nhất mang nucleotide Z. Thay vào đó, có hẳn một quần thể virus với DNA không chuẩn đã tích hợp được 2-aminoadenine (Z) vào bộ gen của mình.
Các nhà nghiên cứu gọi chúng là "bộ gen Z". Hai tác giả Michael Grome và Farren Isaacs viết trong một bài xã luận gần đây trên Science đi kèm với nghiên cứu mới của họ:
DNA bộ gen bao gồm bốn nucleotide tiêu chuẩn… Các nucleotide cơ sở này đã tạo thành bảng chữ cái di truyền, ATCG, xuất hiện xuyên suốt trên tất cả các giống loài của sự sống. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các sinh vật mới đã biến bảng chữ cái di truyền thành ZTGC.
Điều này có thể khiến tất cả các cuốn sách giáo khoa sinh học từ trước đến nay sẽ phải được viết lại. Các cặp cơ sở theo nguyên tắc bổ sung A-T G-C không còn giữ vị trí độc quyền nữa, thay vào đó một cặp Z-T mới sẽ xuất hiện.
Đi sâu hơn vào bộ gen của các vi sinh vật mới này, hai nhóm nghiên cứu khác ở Pháp và Trung Quốc đã mô tả được cách mà nucleotide Z được lắp ráp. Theo đó, 2-aminoadenine (Z) đã được hình thành từ hai loại protein chính mà họ gọi là PurZ và PurB.
"Từ lâu, các nhà khoa học đã mơ ước một sự đa dạng hơn trong các cặp nucleotide tạo nên DNA. Công trình của chúng tôi cho thấy rằng thiên nhiên đã tìm ra cách để làm điều đó", Yan Zhou, tác giả nghiên cứu đến từ Đại học Thiên Tân và nhà vi sinh vật học Dona Sleiman của Viện Pasteur cho biết.
Song song với họ, nhóm nghiên cứu thứ ba do nhà sinh học tổng hợp Valerie Pezo của Đại học Paris-Saclay dẫn đầu đã chứng thực những phát hiện mới và phân tích một loại enzyme - được gọi là DpoZ - chịu trách nhiệm tập hợp toàn bộ bộ gen Z lại với nhau.
Cả ba nghiên cứu đều tìm thấy nucleotide Z trong các quần thể vi sinh vật mà họ giải trình tự gen độc lập. Điều này ngụ ý sự đa dạng của các virus này trên hành tinh.
Nhận xét về khám phá mới, Jef Boeke, một nhà sinh học phân tử tại Đại học New York cho biết: "Các tác giả của ba nghiên cứu mới đã thực hiện một công việc toàn diện đến kinh ngạc. Nó cho thấy nucleotide Z không phải là một trường hợp dị biệt điên rồ, mà có cả một nhóm virus sở hữu loại vật chất di truyền này".
Hiện vẫn còn rất nhiều câu hỏi cần giải đáp về các sinh vật gen Z.
Ví dụ, những gen Z có tương thích được với bộ máy tế bào tiêu chuẩn như của con người chúng ta không? Liệu chúng có thể bắt đầu leo lên các nấc thang của sự sống, từ virus lên vi khuẩn, các sinh vật đa bào và động vật để tạo ra các thực thể sống sáng tạo, hoàn toàn mới?
Yan Zhou cho biết: "Bởi nucleotide Z đã được xác định rõ ràng trên một thiên thạch cacbon và được đề xuất là một nucleotide cơ sở hỗ trợ cho nguồn gốc của sự sống, công trình của chúng tôi có thể khơi dậy mối quan tâm trong nghiên cứu liên ngành về nguồn gốc của sự sống trên Trái Đất và cả lĩnh vực sinh vật học thiên văn".
Vì vậy, ngoài việc khiến tất cả các cuốn sách giáo khoa sinh học từ trước đến nay cần phải được viết lại, các gen Z này cũng có thể mở ra những chương hoàn toàn mới đóng góp vào kho tàng kiến thức sinh học của tất cả chúng ta.