Bí quyết chống lão hóa của loài kiến

Các nhà nghiên cứu đang tích cực tìm hiểu bí kíp trường thọ của loài kiến để giải thích cơ chế lão hóa trên những loài khác.

Động vật đẻ nhiều con có xu hướng tuổi thọ ngắn hơn trong khi những loài đẻ ít hơn lại sống lâu hơn. Loài gián đẻ hàng trăm trứng nhưng thường chỉ sống chưa đến một năm. Loài chuột có vài tá con non trong vòng đời từ một đến hai năm. Cá voi lưng gù chỉ đẻ mỗi hai đến ba năm một lần lại có tuổi thọ hàng thập kỷ. Kinh nghiệm cho thấy, các loài động vật có hai chiến lược tiến hóa: hoặc tập trung nguồn dinh dưỡng để sinh sản nhanh chóng hoặc phát triển khỏe mạnh để có lợi thế sinh tồn lâu dài.    

Thế nhưng kiến chúa lại có cả hai. Với một số loài kiến, kiến chúa sống thọ hơn 30 năm trong khi vẫn đẻ hàng nghìn nghìn trứng – sau này nở thành kiến thợ tương lai. Trái lại, những kiến thợ cái không có khả năng sinh sản chỉ sống trong vòng vài tháng. Trong trường hợp cần thiết, một số loài kiến thợ có thể đứng ra trở thành “kiến chúa giả” vì lợi ích chung của tổ, đồng thời kéo dài một cách đáng kể tuổi thọ của bản thân.

Cơ chế tạo ra sự chênh lệch khổng lồ giữa tuổi thọ của các cá thể kiến vẫn chưa được giải đáp tường tận, cho đến gần đây có hai nghiên cứu tiết lộ những chi tiết quan trọng. Công bố trên tạp chí Science, hai nhà nghiên cứu tại Đại học New York cho rằng kiến chúa đã sản sinh một loại protein có khả năng ngăn chặn tác động lão hóa của insulin, từ đó cho phép tiêu thụ hoàn toàn lượng thức ăn bổ sung cần thiết cho việc đẻ trứng mà không phải rút ngắn tuổi thọ của bản thân. Trong một nghiên cứu khác, chưa qua bình duyệt được đăng gần đây trên biorxiv.org, những nhà nghiên cứu tại Đức đã mô tả một loài ký sinh trùng có khả năng kéo dài đáng kể tuổi thọ của vật chủ kiến bằng cách bơm hỗn hợp giàu chất chống oxy hóa và những hợp chất khác vào cơ thể vật chủ. Cả hai nghiên cứu đều đem lại bằng chứng cho thấy tuổi thọ của các sinh vật này ít bị những yếu tố di truyền hạn chế.

Nhà sinh vật học tiến hóa Daniel Kronauer tại Đại học Rockefeller chỉ ra insulin đã cưỡng bức những cá thể kiến (thợ) tiến hóa để hy sinh cho bầy, chỉ duy trì kiến chúa sinh sản còn kiến thợ mất khả năng sinh sản.

Laurent Keller, giáo sư sinh thái học và tiến hóa Đại học Lausanne, Thụy Sĩ cho biết: “Hầu hết các nghiên cứu về lão hóa được tiến hành trên sinh vật mẫu có tuổi thọ rất ngắn.” Ông giải thích rằng, những loài côn trùng có tập tính xã hội đem lại cơ hội tuyệt vời để nghiên cứu vai trò của các gene liên quan đến quá trình lão hóa, bởi kiến chúa và kiến thợ trong cùng một tổ thường có chung bộ gene di truyền, nhưng chênh lệch về tuổi thọ lại rất lớn. (Hai thập niên trước, Keller đã chỉ ra rằng kiến chúa đã tiến hóa để sống lâu gấp 100 lần tổ tiên của chúng là những loài côn trùng sống riêng lẻ).

Arjuna Rajakumar, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ hiện nghiên cứu về những hạn chế sinh sản của kiến thợ tại Viện Công nghệ Whitehead thuộc Học viện Công nghệ Massachusetts, có một khả năng thú vị là cơ chế trao đổi chất kéo dài tuổi thọ của côn trùng cũng có thể áp dụng cho những loài khác, bao gồm cả con người. “Chúng tôi muốn tìm cách làm cho một loài vật sống lâu hơn, chứ không (chỉ) đơn giản tìm hiểu tại sao chúng lại sống lâu vậy.” 

Ăn nhiều hơn, lão hóa chậm hơn

Trong nhiều thập niên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng insulin đã kích hoạt hệ thống tín hiệu hóa sinh đóng vai trò chủ chốt trong quá trình lão hóa. Insulin tác động lên cách các tế bào trong cơ thể hấp thụ và chuyển hóa đường glucose, có ảnh hưởng cốt yếu đến tổng năng lượng sẵn có cho tế bào phát triển, sinh sản và sửa chữa. Trong quá trình này, insulin cũng điều hòa sự sản sinh các gốc tự do tiềm ẩn nguy cơ gây hại và những phân tử oxy hóa khác là sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ đây chính là lý do chế độ ăn kiêng hạn chế calo, giữ lượng insulin ở mức thấp, dường như kéo dài tuổi thọ ở nhiều loài.    

Hơn nữa, insulin có ảnh hưởng quan trọng tới các hoạt động sinh lý của các loài kiến. Vài năm trước, nhà sinh vật học tiến hóa Daniel Kronauer tại Đại học Rockefeller chỉ ra rằng insulin đã cưỡng bức những cá thể kiến (thợ) tiến hóa để hy sinh cho bầy, chỉ duy trì kiến chúa sinh sản còn kiến thợ mất khả năng sinh sản.

Do vậy, bốn năm về trước, Vikram Chandra – học viên cao học tại Đại học Rockefeller nghiên cứu về những khác biệt giữa kiến chúa và kiến thợ, ý tưởng nghiên cứu về insulin luôn quẩn quanh trong đầu ông. Vikram Chandra cùng với cộng sự của mình Ingrid Fetter-Pruneda, một nghiên cứu sinh sau tiến sỹ, đồng hướng dẫn một nhóm nghiên cứu về các biểu hiện của gene trên bảy loài kiến, đã đưa ra kết luận rằng có nhiều tín hiệu dẫn truyền insulin ở não kiến chúa hơn ở kiến thợ. Khi kiến thợ được tiêm bổ sung insulin, buồng trứng đang ngủ đông được khởi động và kích hoạt trứng phát triển. Những khám phá này cho thấy tín hiệu dẫn truyền insulin đã kích hoạt khả năng sinh sản ở kiến.

Phát hiện này đã đặt nền móng cho nhiều nghiên cứu mới, một phần trong công cuộc hợp tác lâu dài giữa nhà sinh vật học Claude Desplan và Danny Reinberg tại Đại học New York. Họ đã chỉ ra trong quá trình tiến hóa, một số thành phần trong đường tín hiệu dẫn truyền insulin của kiến đã được “nối lại”, đưa đến đáp án cho câu hỏi tại sao kiến chúa lại sống lâu hơn. Desppllan và Reinberg nghiên cứu về kiến nhảy Ấn Độ (Harpegnathos saltator), kiến chúa loài này sống khoảng năm năm trong khi kiến thợ chỉ sống được khoảng bảy tháng. Nhưng ở loài này, khác biệt về tuổi thọ không cố định. Nếu nữ hoàng chết hoặc bị di dời khỏi đàn, kiến thợ sẽ cảm nhận được sự thay đổi gần như lập tức vì mùi của kiến chúa sẽ biến mất. Một số sau đó trở thành “gamergate” (kiến chúa giả) đấu tranh giành quyền thống trị đàn. Cuối cùng, một nhóm các “gamergate” chiến thắng – thường là từ ba đến năm cá thể – cùng đảm nhận vai trò kiến chúa duy trì nòi giống cho đàn. Những kiến thợ còn lại sẽ truy quét “gamergate” dư thừa và ngăn chặn không cho chúng đẻ trứng.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra câu trả lời ẩn sâu trong tín hiệu của quá trình truyền dẫn insulin. Khi insulin gắn vào thụ thể trên bề mặt tế bào, hàng loạt các phản ứng bên trong tế bào được kích hoạt, bao gồm hai trình tự phản ứng riêng biệt. Trình tự thứ nhất hoạt hóa một enzyme gọi là MAP kinase, rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất và phát triển buồng trứng. Trình tự còn lại ức chế yếu tố phiên mã và có khả năng thúc đẩy kéo dài tuổi thọ.

Tuy nhiên, không chỉ mỗi tập tính bị thay đổi, những gamergate cũng phát triển các buồng trứng chức năng để đẻ trứng và kéo dài tuổi thọ từ ba đến bốn năm. Vì gamergate không có khả năng sinh sản hiệu quả như kiến chúa thực thụ, cần từ ba đến năm năm để chúng có thể đạt được sản lượng trứng như của kiến chúa. Nếu một gamergate gia nhập đàn mới nơi kiến chúa vẫn đang trị vì, gamergate đó sẽ quay trở về làm kiến thợ và tuổi thọ cũng sẽ bị ngắn đi.    

Khi kiến thợ trở thành một gamergate, hệ thống trao đổi chất sẽ thay đổi. Nó sẽ ăn nhiều hơn, khiến nồng độ insulin tăng cao kích thích buồng trứng phát triển đồng thời sử dụng thức ăn để sản sinh ra chất béo đóng gói trong trứng. Tuy nhiên, theo những nghiên cứu trước đó về insulin và quá trình lão hóa, những nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã đưa ra nhận định rằng gia tăng dẫn truyền insulin không kéo dài mà khả năng cao sẽ rút ngắn tuổi thọ trung bình của cá thể.    

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã tìm ra câu trả lời ẩn sâu trong tín hiệu của quá trình truyền dẫn insulin. Khi insulin gắn vào thụ thể trên bề mặt tế bào, hàng loạt các phản ứng bên trong tế bào được kích hoạt, bao gồm hai trình tự phản ứng riêng biệt. Trình tự thứ nhất hoạt hóa một enzyme gọi là MAP kinase, rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất và phát triển buồng trứng. Trình tự còn lại ức chế yếu tố phiên mã và có khả năng thúc đẩy kéo dài tuổi thọ. Trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, khi xem xét buồng trứng và mỡ lưng (fat body) trong cơ thể gamergate (được cho là có chức năng tương đương với gan của động vật có vú), họ phát hiện rằng trình tự MAP kinase đã hoạt động nhưng trình tự còn lại thì không.

Nghiên cứu thêm cho thấy buồng trứng của các gamergate biểu hiện mạnh mẽ một loại protein gọi là Imp-L2, cho phép thông qua trình tự MAP kinase nhưng cản trở trình tự thứ hai trong phần mỡ lưng. Desplan cho biết: “Loại protein này có chức năng bảo vệ trình tự cho phép trao đổi chất, nhưng ngăn chặn trình tự gây ra lão hóa”.

Mặc dù chưa chắc chắn rằng Imp-L2 ảnh hưởng đến tuổi thọ vì Desplan và Reinberg đã không trực tiếp kiểm tra liệu kích hoạt protein trong kiến thợ có thể kéo dài tuổi thọ của chúng hay việc ức chế protein trong gamergates sẽ khiến chúng chết sớm hơn (thí nghiệm như vậy thường khó khăn vì cần tiêm ức chế insulin cho kiến trong nhiều tháng hoặc có thể là nhiều năm) nhưng các nhà khoa học không tham gia nghiên cứu đã đánh giá đây là một giả thuyết thực sự hợp lý và thú vị. Sẽ rất tuyệt vời nếu có thêm nhiều phòng thí nghiệm thử nghiệm giả thuyết này.

Vì tiến hành thí nghiệm di truyền trên ruồi giấm sẽ dễ dàng hơn trên kiến, nhóm của Desplan hiện thí nghiệm kéo dài tuổi thọ của loài ruồi Drosophila bằng cách kích hoạt biểu hiện gene Imp-L2. Desplan hy vọng sau này có thể tiếp tục thực hiện thử nghiệm trên chuột. Ông hào hứng: “Chúng tôi có rất nhiều việc thú vị phải làm”.

Loài ký sinh trùng kéo dài sự sống

Tại một diễn biến không ngờ, sinh giới cũng đã tự thực hiện phiên bản thí nghiệm tương tự. Gần đây các nhà nghiên cứu tại Đức đã phát hiện một loài sán dây ký sinh đã thúc đẩy khả năng tự gia tăng tuổi thọ của kiến để đem lại lợi ích riêng cho bản thân.

Sán dây dành hầu hết cuộc đời sống bên trong những con kiến sồi (Temnothorax nylanderi), loại kiến được đặt tên từ tập tính xây tổ bên trong những quả sồi. Khi kiến thợ ra ngoài tìm kiếm thức ăn, đôi lúc chúng ăn phải những con sán dây và bị nhiễm sán. Để hoàn thành vòng đời của mình, sán dây phải ký sinh vào chim gõ kiến và nó phải chờ đến khi chim gõ kiến vô tình ăn những tổ kiến sồi nhiễm sán này. 

Vài năm về trước, Sara Beros, một sinh viên phòng thí nghiệm của Susanne Foitzik tại Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz, Đức, đã mở một số tổ kiến sồi và phát hiện điều kỳ lạ rằng trong khi tất cả kiến thợ không nhiễm sán đều chết trong vòng vài tháng quan sát, những cá thể nhiễm sán vẫn sống sót. (Những con kiến bị ký sinh rất dễ nhận diện bởi màu cơ thể của chúng sẽ chuyển từ nâu sang vàng.) Khi Beros nói với Foitzik điều này, ông vẫn nhớ mình đã khẳng định, “Thật sự là không thể. Mọi cá thể đều phải chết.” Nhưng Beros vẫn khăng khăng “nên chúng tôi đã xem xét hiện tượng này kỹ càng hơn”. 

Theo công trình báo cáo vào mùa hè năm ngoái tại buổi họp mặt Hiệp hội Nghiên cứu Côn trùng xã hội Quốc tế và đã được đăng chưa qua bình duyệt trên biorxiv.org ngay trước Giáng sinh, nhóm Foitzik đã chỉ ra trong giai đoạn còn là ấu trùng ký sinh trên kiến, sán dây tiết protein vào hemolymph (một chất lỏng tương tự như máu của côn trùng) giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của kiến thợ. Khác với kiến nhảy Ấn Độ, kiến sồi không phát triển trở thành gamergate, nên hiện tượng ký sinh trùng giúp kéo dài tuổi thọ của kiến là chưa từng có tiền lệ trong tự nhiên.    

Trong suốt khoảng thời gian ba năm thử nghiệm, kiến thợ nhiễm sán sống lâu gấp năm lần những cá thể khỏe mạnh và cho thấy tỉ lệ tử vong thấp tương đương với kiến chúa. Khả năng điều khiển tuổi thọ kiến thợ của ký sinh trùng “Cực kỳ mạnh mẽ đến mức về cơ bản, không thể phân biệt giữa kiến chúa và kiến thợ.” Kronauer khẳng định. 

Foitzik cho biết: “Mặc dù những cá thể kiến sồi nhiễm sán không phát triển khả năng sinh sản, chúng vẫn trở thành nữ hoàng ở một vài khía cạnh. Chúng làm việc ít hơn và nhận được nhiều chăm sóc chu đáo hơn từ những cá thể khỏe mạnh trong tổ. Nếu kiến chúa bị di dời khỏi tổ, kiến nhiễm sán sẽ là những kiến thợ đầu tiên kích hoạt phát triển buồng trứng”.

Foitzik và cộng sự đã phát hiện rằng ấu trùng sán dây tổng hợp và tiết ra hơn 250 loại protein vào hemolymph của ký chủ kiến – đủ để chiếm khoảng 7% tổng lượng protein tuần hoàn trong cơ thể. Hầu hết các loại protein này chưa được phân tích, nhưng hai trong số đó đã được nhận diện là chất chống oxy hóa. Foitzik cho biết thêm: “có vẻ như sán dây đang giải phóng những hợp chất chống oxy hóa vào cơ thể kiến, đồng thời cũng làm tăng tuổi thọ của vật chủ”.

Khi Foitzik cùng nhóm nghiên cứu đo lường những thay đổi trong biểu hiện gene của vật chủ kiến, họ phát hiện rằng kiến bị nhiễm sán cũng tự tổng hợp nhiều chất chống oxy hóa hơn. Hơn nữa, kiến chúa và kiến thợ nhiễm sán cùng biểu hiện nhiều hơn một loại gen gọi là silver, trong khi không có hiện tượng này ở kiến thợ không nhiễm sán. Các nhà nghiên cứu cũng đã liên kết với hiện tượng này trước đây xảy ra trên ruồi giấm.

Cho dù rõ ràng một loại thay đổi trong quá trình phát triển và trao đổi chất khi kiến thợ trở thành kiến chúa sẽ diễn ra, vẫn rất khó để chỉ đích danh thay đổi nào đóng vai trò quan trọng nhất trong việc kéo dài tuổi thọ. Insulin và những hợp chất chống oxy hóa hiển nhiên rất quan trọng, nhưng Keller nghĩ rằng những yếu tố khác cũng có thể đóng những vai trò nhất định. Ông nói; “Vì vậy không thể đơn giản giải thích sự khác biệt trong tuổi thọ này chỉ bằng một trình tự duy nhất – có lẽ, chúng ta cần phải thay đổi rất nhiều thứ”.

Keller cho rằng phát hiện này về ký sinh trùng rất kỳ diệu ký sinh trùng thường rút ngắn thay vì kéo dài tuổi thọ vật chủ. Nhưng trong trường hợp này, sự kéo dài tuổi thọ của kiến dường như là một phương án thích nghi với ký sinh trùng. Sán dây cần bám vào cá thể kiến bị nhiễm bệnh đủ lâu để chim gõ kiến có khả năng tìm thấy quả sồi đó và ăn nó. Nếu kiến thợ chết trước khi điều đó xảy ra, rõ ràng sán dây cũng sẽ chết theo. Bằng cách kéo dài tuổi thọ của kiến thợ thêm nhiều năm, phần trăm cơ hội xuất hiện một con chim gõ kiến sẽ được gia tăng. Đồng thời, số lượng dồi dào các chất chống oxy hóa trong hemolymph cũng giúp ấu trùng sán dây duy trì thời gian sống lâu như vật chủ của chúng.       

Foitzik giải thích: “Trong trường hợp này, ký sinh trùng đang khai thác một vật chủ xã hội. Sẽ không có ý nghĩa gì khi ký sinh vào những loài côn trùng sống đơn lẻ vì chúng chẳng bao giờ sống đủ lâu. Nhưng đối với một loài côn trùng xã hội, nơi nữ hoàng đã sống an toàn trong tổ suốt 20 năm, bạn có thể đánh cược một phen” .□

Đoàn Lê Uyên Kha dịch

Nguồn: https://www.quantamagazine.org/ants-live-10-times-longer-by-altering-their-insulin-responses-20230110/?