Biến dị di truyền bí ẩn tiếp sức cho bước nhảy vọt của tiến hóa
Theo một bài báo trên tạp chí Science ngày 26/7 vừa qua, những quần thể vi khuẩn E.coli được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm đã lặng lẽ tích tụ biến dị di truyền “bí ẩn” (crytic) và có thể tạo ra những bước nhảy tiến hóa đáng ngạc nhiên. Việc hiểu rõ hơn về biến dị bí ẩn có thể cải thiện kỹ thuật tiến hóa hướng đích để phát triển những phân tử sinh học mới ứng dụng cho y tế và một số ngành khác.
Biến dị di truyền (các đột biến được tích lũy trong DNA) là nhiên liệu cho tất cả những thay đổi mang tính tiến hóa: càng nhiều biến dị di truyền thì tiến hóa càng diễn ra nhanh chóng và càng có nhiều khả năng hình thành các dạng thích nghi mới. Nhưng có một loại biến dị di truyền “bí ẩn” không làm sinh vật thay đổi diện mạo hoặc hành vi trong môi trường thông thường của chúng. “Đây là một loại biến dị di truyền chưa được đánh giá đúng mức nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa”, Andreas Wagner, nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Zurich và là tác giả chính của nghiên cứu, nói.
Những nghiên cứu trước đây đã chứng tỏ biến dị bí ẩn trong quần thể tự nhiên thúc đẩy thích nghi tiến hóa nhanh chóng, nhưng các cơ chế phân tử cơ bản của nó vẫn chưa được biết rõ. Để khám phá những cơ chế đó, nhóm của GS. Wagner đã nghiên cứu các quần thể vi khuẩn đường ruột E. coli mang plasmid chứa một gene tạo protein huỳnh quang vàng (YFP). Thí nghiệm thiết kế thành 2 giai đoạn.
Ở giai đoạn đầu, họ đã sử dụng kỹ thuật phản ứng chuỗi polymerase (PCR) đột biến để tăng biến thể trong gene YFP, đồng thời chọn ra một dải hẹp huỳnh quang vàng để loại trừ bất kì vi khuẩn nào không đủ sắc tố. Quy trình này gọi là “chọn lựa ổn định”. Bằng cách này, nhóm nghiên cứu xây dựng được các kho lưu trữ đủ nhiều những biến dị di truyền “bí ẩn” mà không làm thay đổi sắc tố vàng của protein YFP.
Trong giai đoạn 2, nhóm nghiên cứu thay đổi quy tắc lựa chọn và bắt đầu lọc ra các vi khuẩn E. coli phát huỳnh quang xanh lục trong dải quang phổ (gọi là “lựa chọn hướng đích”). Họ cũng đưa ra những quần thể E.coli không kiểm soát biến dị “bí ẩn” gia tăng trong protein YFP.
Các dòng tế bào E. coli trong kho lưu trữ biến dị bí ẩn tiến hóa thành protein huỳnh quang xanh lục (từ gene YFP) xanh hơn và đa dạng hơn về mặt di truyền so với kết quả từ các dòng E. coli có kiểm soát.
Theo Joshua Payne, Đại học ETH Zurich và là đồng tác giả nghiên cứu, trong thí nghiệm này, biến dị bí ẩn đã thúc đẩy thích nghi tiến hóa diễn ra nhanh hơn. Các dòng tế bào trong kho lưu trữ biến dị bí ẩn đã tiến hóa ra các protein YFP xanh hơn, hình thành nên các dạng protein mà vi khuẩn thông thường không đạt được, và bằng nhiều con đường độc đáo và đa dạng, vốn không sẵn có đối với E. coli thông thường.
Jia Zheng, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Zurich và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu cho biết, các thí nghiệm tiến hóa hướng đích trong phòng thí nghiệm hiện nay thường dẫn đến kết quả giống nhau sau mỗi lần thực hiện. Tuy nhiên, thí nghiệm mới này cho thấy sự tích tụ biến dị bí ẩn có thể mở ra cánh cửa đến những vùng không tiếp cận được trong trình tự protein.
Trong thế giới tự nhiên, biến dị bí ẩn giúp loài cá thích nghi với môi trường hang động. Trong phòng thí nghiệm, biến dị bí ẩn có thể giúp cho một phân tử sinh học liên kết với một thụ thể mới. Jia Zheng cho biết, “Công việc của chúng tôi có thể giúp phát triển những chiến lược tiến hóa hướng đích mới để tìm ra các phân tử sinh học mang tính đột phá cho những ứng dụng công nghệ sinh học và y tế”.
Giống như một tài khoản tiết kiệm dồi dào, biến dị bí ẩn là kho chứa các biến dị sẵn có trong trường hợp khẩn cấp để có thể cung cấp nhiên liệu cho tiến hóa nhanh chóng, đóng vai trò thiết yếu trong sự sống còn của dòng sinh vật và tỏ ra hữu ích với các nhà sinh học phân tử. □
Ngô Hà dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2019-07-hidden-genetic-variations-power-evolutionary.html
