“Đời sống xã hội” phức tạp của virus

Các nghiên cứu mới đây đã phát hiện thế giới của virus đầy rẫy sự lừa dối, hợp tác, âm mưu với đồng loại bằng các hình thức khác nhau. Đặc tính xã hội của virus vẫn còn nhiều điều bí ẩn, do vậy cần phải thận trọng với việc sử dụng một dạng sinh vật sống và đang tiến hoá như một loại thuốc trị bệnh.

Kể từ khi được phát hiện từ cuối thế kỷ XI, virus đã được giới khoa học tách riêng với các nhánh khác của cây tiến hóa. Bởi chúng nhỏ hơn nhiều so với tế bào và bên trong lớp vỏ protein của chúng chỉ chứa chủ yếu bộ gene di truyền [mà hầu như không có thành phần phức tạp nào khác]. Chúng không thể tự thân phát triển, sao chép gene cho chính mình hoặc làm bất kỳ điều gì. Trước đây, các nhà khoa học cho rằng hạt virus tồn tại như một cá thể cô đơn trôi dạt khắp thế giới, chỉ có thể nhân bản nếu may mắn va vào đúng loại tế bào tương thích mà nó có thể xâm nhập.

Nhà virus học Marco Vignuzzi tại phòng thí nghiệm bệnh truyền nhiễm trực thuộc Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu Singapore (A*STAR) nói rằng nhiều nhà nghiên cứu là người hâm mộ “chủ nghĩa giản lược”, [“Nếu bạn không thể giải thích điều gì đó cho một đứa trẻ 6 tuổi thì chính bạn cũng không hiểu điều đó” – Albert Einstein] và như một lẽ tất yếu, virus đã thu hút họ. 

Và quả thật những nghiên cứu về virus đã mang lại đóng góp rất quan trọng cho sự ra đời của ngành sinh học hiện đại. Bỏ lại mớ bòng bong của tế bào, những nguyên tắc cơ bản của di truyền học đã được phát hiện nhờ nghiên cứu virus. Nhưng đi lối tắt khiến bạn phải trả giá: tấm kính đơn sắc đã che mắt bạn khỏi bản chất phức tạp mà bạn không hề hay biết.

Bởi nếu bạn mặc định virus như những gói gene biệt lập thì làm sao có thể tưởng tượng chúng có đời sống xã hội. Nhưng Vignuzzi cùng các nhà virus học theo trường phái mới không muốn đi theo lối mòn xưa cũ. Trong vài thập kỷ gần đây, họ đã phát hiện nhiều đặc tính của virus vốn không thể tồn tại nếu chúng là những cá thể cô độc. Họ đã khám phá một thế giới xã hội phức tạp đáng kinh ngạc đến mức đưa ra nhận định rằng sự tồn tại của virus chỉ có ý nghĩa khi là thành viên trong một cộng đồng, và họ cũng tự xem mình là những nhà ‘xã hội virus học’.

Các nhà ‘xã hội học virus’ tin rằng virus cũng có các hành vi gian lận, hợp tác và tương tác với đồng loại bằng các hình thức khác nhau.

Tất nhiên, xã hội virus khác với xã hội các loài khác, chúng không chụp selfie rồi đăng ảnh trên mạng xã hội, không làm tình nguyên viên cho các bếp ăn từ thiện hoặc trộm cắp danh tính của kẻ khác. Chúng cũng không chiến đấu với đồng loại để đoạt được vị trí đầu đàn như khỉ đầu chó, không phải cần mẫn thu thập mật hoa để nuôi ong chúa, không kết bè kéo cánh thành cụm trong chất nhầy do mình tạo ra như một số vi khuẩn. Tuy nhiên, các nhà ‘xã hội học virus’ tin rằng virus cũng có các hành vi gian lận, hợp tác và tương tác với đồng loại bằng các hình thức khác nhau. 

Lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn non trẻ, với hội nghị đầu tiên dành riêng cho chủ đề đời sống xã hội của virus diễn ra vào năm 2022 và lần hai đã diễn ra vào tháng sáu năm nay với chỉ vỏn vẹn 50 người tham dự. Tuy nhiên, họ tin tưởng lĩnh vực mới sẽ có nhiều ý nghĩa khoa học sâu sắc. Ví dụ, bệnh cúm không thể xảy ra nếu các hạt virus rời rạc nhau. Vì vậy, nếu chúng ta giải mã được đời sống xã hội của virus, chúng ta có thể chống lại những căn bệnh mà chúng là tác nhân gây bệnh.

Kẻ gian ẩn trốn ngay trước mũi cảnh sát

Một số bằng chứng quan trọng nhất về đặc tính xã hội của virus đã được ghi nhận cách đây gần một thế kỷ. Sau khi tìm ra virus gây bệnh cúm vào những năm 1930, các nhà khoa học đã nhân bản chúng trong trứng gà. Sau đó, các bản sao lại được lây nhiễm cho động vật thí nghiệm hoặc tiêm vào các quả trứng khác để nhân bản tiếp. Vào cuối những năm 1940, nhà virus học người Đan Mạch Preben Von Magnus nhận thấy một điều kỳ lạ. Rất nhiều hạt virus được tiêm vào một quả trứng không thể nhân bản nữa. Đến chu kỳ tái tạo thứ ba, chỉ 1/10,000 virus có thể nhân bản. Nhưng trong những chủ kỳ tiếp theo, tỷ lệ virus khiếm khuyết giảm xuống và khả năng nhân bản được phục hồi. Von Magnus nghi ngờ rằng những virus không thể nhân bản là do chưa phát triển hoàn chỉnh.

Những năm sau đó, các nhà virus đã gọi hiện tượng nêu trên là ‘hiệu ứng von Magnus’. Đối với họ, đó chỉ đơn giản là một vấn đề kỹ thuật quan trọng cần được xử lý trong quá trình nuôi cấy virus. Vì chưa ai quan sát được các virus chưa hoàn chỉnh ở ngoài tự nhiên nên họ cho rằng đó là phụ phẩm của tiến trình nhân tạo và chỉ cần loại bỏ chúng đi để tránh gây nhiễu cho các thí nghiệm. 

Đến tận những năm 1960, các nhà nghiên cứu mới nhận ra bộ gene của các hạt ‘virus chưa hoàn chỉnh’ ngắn hơn so với bình thường. Phát hiện đó đã củng cố quan điểm về sự khiếm khuyết gene cần thiết cho quá trình nhân bản. Đến những năm 2010, công nghệ giải trình tự gene tiên tiến giá rẻ đã giúp chứng minh các loại virus chưa hoàn chỉnh tồn tại rất nhiều bên trong cơ thể chúng ta.

Trong một nghiên cứu được công bố năm 2013, các nhà khoa học tại Đại học Pittsburgh đã lấy mẫu bằng que ngoáy mũi và miệng của người bệnh cúm rồi phân lập được một số virus chưa hoàn chỉnh về gene. Đó là kết quả của sự nhân bản lỗi, vô tình bỏ sót một vài đoạn gen.

Các nghiên cứu khác cũng đã tiết lộ những cách khác nhau tạo ra các virus không hoàn chỉnh. Một số virus, sau khi xâm nhiễm tế bào, quá trình nhân bản bộ gene đến giữa chừng thì đảo ngược chiều sao chép về điểm xuất phát. Một số khác bị đột biến gene khiến quá trình sao chép dừng lại nên không thể tạo ra protein.

Sự bất thường này là một phần của tự nhiên, chứ không phải là kết quả của môi trường thí nghiệm như giả định trước đây. Và rất nhiều loài virus cũng tồn tại ở dạng chưa hoàn chỉnh trong cơ thể người, như virus hợp bào hô hấp RSV và virus sởi. Các nhà khoa học đã cố gắng gọi tên cho các virus này, ‘hệ gene virus không đạt chuẩn’, ‘hạt khiếm khuyết gây nhiễu’, riêng nhóm của Díaz-Muñoz đặt một cái tên rất gợi mở: ‘kẻ gian lận’.

Virus chưa hoàn chỉnh vẫn có thể xâm nhiễm tế bào, nhưng bên trong tế bào chất, chúng không thể nhân bản thành công vì thiếu một số gene cần thiết để chiếm quyền điều khiển cỗ máy sản xuất protein của tế bào, như polymerase – enzyme sao chép gene. Và để tiếp tục sinh sôi, chúng chỉ còn cách gian lận: lợi dụng những ông anh lành lặn. 

Điều may mắn cho ‘kẻ gian lận’ là tế bào thường bị nhiễm nhiều hơn một hạt virus. Nếu một virus hoàn chỉnh chức năng có mặt trong tế bào chất thì polymerase do nó tạo ra sẽ bị chia sẻ với các virus không hoàn chỉnh. 

Các ‘virus không hoàn chỉnh’ có vẻ như là ‘kẻ lợi dụng’ thật ra đang chung sống hài hòa trong xã hội virus. Chúng đóng vai trò quan trọng trong cộng đồng, là một phần của sự hợp tác cùng phát triển.

Nguồn lực của một tế bào là có hạn, vì vậy hai anh em phải chạy đua với nhau để sinh sản nhiều con cháu nhất có thể. Và kẻ gian lận chiếm lợi thế tuyệt đối: bộ gene ngắn hơn nên cần ít vật liệu hơn để tái bản, và polymerase sao chép một bộ gen chưa hoàn chỉnh nhanh hơn. 

Một dạng virus gian lận khác có polymerase của riêng mình nhưng thiếu các gene mã hóa vỏ protein bao bọc vật chất di truyền của nó. Chúng vẫn ‘âm thầm’ sao chép và nằm chờ một virus hoàn chỉnh xâm nhập vào. Chúng lén đưa bộ gene của mình vào trong để chiếm lấy vỏ protein do đối phương tạo ra. Một số nghiên cứu cho thấy bộ gene khiếm khuyết [ít cồng kềnh hơn] chiếm giữ vỏ protein nhanh hơn bộ gene đầy đủ chức năng.

Dù bằng chiến lược nào, khi kẻ gian lận thành công đáng kinh ngạc như vậy, lẽ ra phải tự dẫn đến kết cục diệt vong. Các virus không hoàn chỉnh sẽ ngày càng phổ biến, lấn át các virus đầy đủ chức năng, đến khi không còn ‘người tốt’ để lợi dụng, cộng đồng ‘virus không hoàn chỉnh’ không thể tự nhân bản, và biến mất. 

[Một vài kẻ vô công rồi nghề có thể tích cực lợi dụng thành quả lao động của xã hội nhưng phải bất lực nếu xung quanh cũng đều trở thành những kẻ lười nhác và tất cả đều nằm chờ chết.]

Nhưng thực tế thì không: các chủng virus cúm không tuyệt chủng. Do đó, đời sống xã hội của chúng chắc chắn phải có ‘bí kíp’ nào đó đảo ngược vòng xoáy diệt vong. Nhà virus học Carolina López tại Trường Y khoa của Đại học Washington-St. Louis tin rằng các ‘virus không hoàn chỉnh’ có vẻ như là ‘kẻ lợi dụng’ thật ra đang chung sống hài hòa trong xã hội. “Chúng đóng vai trò quan trọng trong cộng đồng, là một phần của sự hợp tác cùng phát triển”. 

Tránh sự diệt vong

Vào những năm 2000, López bắt đầu nghiên cứu virus Sendai, một tác nhân gây bệnh cho chuột. Từ lâu, các nhà khoa học đã biết tồn tại song song hai chủng virus Sendai có hành vi khác nhau. Chủng SeV-52 có khả năng thoát khỏi sự chú ý của hệ miễn dịch để lây lan diện rộng. Còn chủng SeV-Cantell kém hiệu quả hơn, nhanh chóng bị hệ miễn dịch của chuột phát hiện và phòng thủ kịp thời. López và các đồng nghiệp nhận thấy SeV-Cantell tạo ra rất nhiều hạt virus chưa hoàn chỉnh trong quá trình nhân bản. 

Tại sao các hạt virus không hoàn chỉnh lại kích hoạt hệ miễn dịch của chuột? Nhóm của López phát hiện các tế bào tiết ra tín hiệu interferon báo hiệu cho các tế bào lân cận về kẻ xâm lược để chúng chuẩn bị khả năng phòng vệ và ngăn chặn sự lây lan của virus.

Đây không phải là hiện tượng đơn lẻ của virus Sendai hay hệ miễn dịch của chuột. Nhóm của López cũng nhận thấy virus RSV không hoàn chỉnh được sản sinh ra trong quá trình lây nhiễm tự nhiên cũng kích hoạt phản ứng miễn dịch mạnh mẽ của các tế bào bị xâm nhiễm. RSV là tác nhân khiến hơn hai triệu người Mỹ mắc bệnh và khiến hàng nghìn người chết mỗi năm. Hiện tượng này khiến López bối rối. Tại sao chúng lại báo động để tế bào chủ kiềm hãm quá trình lây nhiễm của chính mình? Một khi hệ miễn dịch tiêu diệt hết các virus hoàn chỉnh đồng nghĩa với việc chúng không còn đồng loại để lợi dụng. 

Bản chất xã hội của virus vẫn còn nhiều điều bí ẩn, nhưng có thể là chìa khoá cho nhiều vấn đề của cuộc sống. Chúng ta có thể tìm ra cách khiến các virus chống lại nhau như là phương pháp điều trị các bệnh lý do chúng gây ra. 

Không quá lún sâu vào tìm hiểu sự gian lận của các virus không hoàn chỉnh, López mở rộng tầm nhìn toàn cảnh hơn: Xâm nhiễm và sinh sôi mất kiểm soát, nhanh chóng tiêu diệt vật chủ trước khi kịp lây sang vật chủ mới đồng nghĩa với sự chấm hết của cộng đồng virus. Thay vào đó, có lẽ các virus không hoàn chỉnh phối hợp với các virus hoàn chỉnh chức năng để cùng nhau hướng tới mục tiêu tối thượng: tồn tại lâu dài. 

“Chúng cần vật chủ sống đủ lâu để chúng có cơ hội tiếp tục lây nhiễm sang vật chủ mới”. Sự phối hợp hiệp đồng tác chiến rất nhịp nhàng. Virus hoàn chỉnh tạo ra các cỗ máy phân tử phục vụ quá trình nhân bản cho tất cả, còn virus không hoàn chỉnh tìm cách kiềm chế các virus hoàn chỉnh không được bạo phát làm chết vật chủ, vì điều này sẽ chấm dứt sự sống của cả cộng đồng virus.  

Một số cách mà các virus không hoàn chỉnh áp dụng để thực hiện chiến lược này đã được nhóm của López phát hiện. Ví dụ, chúng kích hoạt tế bảo phản ứng giống như khi bị stress do nóng hoặc lạnh. Khi đó, tế bào sẽ ‘đóng cửa’ các nhà máy sản xuất protein để tiết kiệm năng lượng, khiến quá trình nhân bản của virus bị dừng lại. 

Nhà virus học Christopher Brooke tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đồng ý với López về tính cộng đồng của virus. Một loài virus cúm dạng hoàn chỉnh chứa tám đoạn gene mã hóa cho ít nhất 12 protein. Trong quá trình sao chép vật chất di truyền, đôi khi một phần gene nằm giữa bị bỏ qua nhưng bộ gene đột biến vẫn tạo ra protein mới với chức năng mới. Nhóm của Brook đã phát hiện hàng trăm protein như thế. Một số chúng bám vào polymerase (do virus hoàn chỉnh chức năng tạo ra) để ngăn chặn quá trình sao chép. 

Nếu các virus không hoàn chỉnh này chỉ thuần tuý là những kẻ đánh cắp polymerase của đồng loại để nhân bản, tại sao chúng còn tạo ra loại protein ức chế polymerase để ngăn chặn sự sinh sôi của chính mình. 

Nếu chỉ có động cơ thuần túy là sinh sản nhiều nhất để giành phần thắng trong cuộc đua chọn lọc tự nhiên, những virus không hoàn chỉnh chắc hẳn đã không tạo ra các protein ức chế để tự trói chân như vậy. Trong thực tế, các protein này luôn hiện diện, nghĩa là virus phải có một mục đích sâu xa nào khác. 

Đối thủ hay đối tác? Thật khó phân định rạch ròi 

Chắc hẳn các nhà khoa học hành vi động vật có sự đồng cảm sâu sắc với mức độ khó khăn mà các nhà virus học gặp phải khi cố gắng đánh giá đặc tính xã hội của virus. Một cá thể có thể gian lận trong tình huống này nhưng hợp tác trong những tình huống khác, hoặc từ gian lận chuyển biến thành hợp tác, hoặc có vẻ là hợp tác nhưng thực ra vẫn là gian lận.

Dẫn chứng yêu thích của Leeks là nanovirus gây hại cho rau mùi tây và đậu răng ngựa. Loài virus này có tổng cộng 8 gene, nhưng mỗi hạt virus chỉ chứa 1 trong 8 gene đó. Chỉ khi cả 8 loại chứa 8 gene khác nhau cùng xâm nhiễm thì chúng mới có thể nhân bản. 

Nhìn bề ngoài, có vẻ đây là sự ‘phân công lao động’ trong mối quan hệ cộng tác. Nhưng nhóm của Leeks đã chỉ ra căn nguyên của hiện tượng này vẫn từ ‘gian lận’ mà ra. 

Leeks giả định ban đầu virus mang đầy đủ 8 gene, nhưng trong quá trình nhân bản, một số phiên bản không hoàn chỉnh xuất hiện, chỉ mang 1 trong 8 gene. Chúng lợi dụng virus hoàn chỉnh để sinh sôi, trở nên lấn át và tiêu diệt tất cả các phiên bản gốc. Đến lúc này, chỉ còn 8 loại virus mang 1 gene đơn lẻ khác nhau, phải phối hợp để có đầy đủ bộ gene cần thiết cho sự nhân bản. Chúng phải phụ thuộc lẫn nhau để tồn tại vì không còn giải pháp nào khác. 

Bản chất xã hội của virus vẫn còn nhiều điều bí ẩn, nhưng có thể là chìa khóa cho nhiều vấn đề của cuộc sống. Chúng ta có thể tìm ra cách khiến các virus chống lại nhau như là phương pháp điều trị các bệnh lý do chúng gây ra. 

Viễn cảnh mới cho y học

Vào những năm 1990, các nhà sinh học tiến hoá đã cung cấp thêm hiểu biết để phát triển các thuộc kháng virus. Người nhiễm HIV sử dụng thuốc điều trị đã khiến virus trong cơ thể nhanh chóng phát triển khả năng kháng thuốc. Giải pháp ‘đánh bao vây’ được đề xuất: người bệnh được kê ba loại thuốc kháng virus với cơ chế khác nhau, khiến virus khó tìm đường lẩn trốn, vì xác suất đột biến chống lại cả ba loại thuốc là rất thấp. Đến ngày nay, phác đồ phối hợp thuốc trong điều trị HIV vẫn còn được áp dụng hiệu quả. 

Với mục đích tương tự, các nhà khoa học cũng kỳ vọng sẽ tìm ra lỗ hổng trong cách thức virus gian lận và hợp tác để khai thác, nhằm điều trị hiệu quả hơn các bệnh do virus gây ra. 

Nhóm của Vignuzzi đã tiêm vào chuột bị nhiễm Zika thêm các phiên bản virus không hoàn chỉnh để chúng thâm nhập, lợi dụng, phá hoại và hủy diệt quần thể virus Zika gây bệnh. Công ty Meletios Therapeutics của Pháp đã mua lại giải pháp của Vignuzzi và kỳ vọng phát triển nó thành một thuốc kháng virus tiềm năng. 

Ben tenOever tại Đại học New York đã thiết kế một kỹ thuật thậm chí còn ‘thâm độc’ hơn với virus cúm. Virus có một đặc trưng kỳ lạ, thỉnh thoảng, vật liệu di truyền của hai virus khác nhau được đóng gói thành một loại virus mới. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tạo ra một loại virus có thể xâm chiếm bộ gene của các virus cúm gây bệnh. 

Nhóm nghiên cứu đã thu thập các virus không hoàn chỉnh từ các tế bào bị nhiễm cúm. Họ đã xác định được một loại virus ‘gian lận siêu cấp’, có khả năng chuyển gene của mình vào trong virus cúm hoàn chỉnh khiến quá trình nhân bản bị kìm hãm. 

Ben tenOever đã tạo ra loại thuốc xịt mũi từ các virus ‘gian lận’. Họ lây nhiễm cho chuột một chủng cúm chết chóc rồi xịt thuốc cho chúng. Các virus gian lận đã chứng minh khả năng ức chế sự sinh sôi của virus cúm hiệu quả, giúp những con chuột khỏi bệnh trong vòng vài tuần. 

Kết quả thậm chí còn tốt hơn nếu họ xịt thuốc dự phòng trước khi chuột nhiễm bệnh. Các virus nhân tạo này ẩn náu và phục kích ngay khi virus cúm bén mảng tới. 

Nhóm nghiên cứu tiếp tục thực hiện trên loài chồn sương bị nhiễm chủng cúm có tính lây lan mạnh hơn. Thuốc xịt mũi vẫn làm giảm nhanh chóng tải lượng virus trong các con vật nhiễm bệnh, nhưng họ cũng phát hiện rằng con vật khỏe mạnh bị lây bệnh cũng bị nhiễm virus ‘gian lận’, vì chúng đã ‘quá giang’ bên trong vỏ protein của virus cúm. 

Về mặt khái niệm, nếu mọi người đều được xịt thuốc, họ có thể thanh chóng phục hồi sau khi nhiễm bệnh. Lây virus gây bệnh cho người khác đồng thời với lan truyền ‘thuốc’ trị bệnh. Đó là một cách kiểm soát đại dịch triển vọng. 

Nhóm nghiên cứu cần tiến hành thử nghiệm trên người để chứng minh cho ý tưởng đột phá này. Tuy nhiên, các cơ quan quản lý rất thận trọng trước rủi ro của một loại thuốc được sử dụng bởi người này có thể lây lan tác dụng sang người khác. Nếu loại thuốc này sau này bị phát hiện là nguy hại, nó chẳng khác nào ‘nụ hôn của thần chết’. □

Cao Hồng Chiến lược dịch 

Nguồn: https://www.quantamagazine.org/viruses-finally-reveal-their-complex-social-life-20240411/