- Tham gia
- 25/11/2012
- Bài viết
- 351
(kenhsinhvien.vn) COVID-19 là lời cảnh tỉnh về sức mạnh huỷ diệt của virut, nhưng virut cũng rất cần thiết cho sự phát triển và tồn vong của loài người.
Dù bị e sợ là tác nhân gây bệnh, nhưng virut cũng tạo nên những điều kỳ diệu, định hướng quá trình tiến hoá từ thuở sơ khai. Khoảng 8% DNA của chúng ta có nguồn gốc từ những virut đã lây nhiễm cho tổ tiên loài người và chắp nối các gen đó vào bộ gen của họ. Một số gen đó hiện đóng vai trò thiết yếu trong giai đoạn đầu của phôi thai đang phát triển và nhau thai bao quanh bào thai 13 tuần tuổi này.
ẢNH CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC (HAI ẢNH)
Hãy thử tưởng tượng Trái Đất không có virut.
Chúng ta vẩy đũa phép, và tất cả virut đều không còn. Virut bệnh dại, virut bại liệt, virut Ebola biến mất. Virut sởi, virut quai bị và nhiều loại bệnh cúm biến mất. Nỗi khốn khổ và cái chết của loài người giảm mạnh. HIV biến mất, nên thảm hoạ AIDS cũng chưa từng xảy ra. Virut Nipah, Hendra, Machupo và Sin Nombre cũng biến mất, không cần phải bận tâm về những ghi chép hỗn loạn xấu xí của chúng nữa. Sốt xuất huyết biến mất. Virut rota biến mất, một ân huệ lớn cho trẻ em ở các nước đang phát triển tử vong hàng trăm ngàn người mỗi năm. Virut Zika, virut sốt vàng da biến mất. Virut Herpes B có trong loài khỉ thường gây tử vong khi lây sang người cũng biến mất. Không còn ai bị thuỷ đậu, viêm gan, giời leo hay thậm chí là cảm mạo thông thường. Variola, tác nhân gây bệnh đậu mùa đã bị xoá sổ ngoài tự nhiên năm 1977, giờ đây cũng bốc hơi khỏi những tủ đông được bảo mật cao, nơi lưu trữ những mẫu vật ma quái cuối cùng. Virut SARS năm 2003, hồi chuông báo hiệu kỷ nguyên đại dịch thời hiện đại, cũng biến mất. Và dĩ nhiên virut SARS-CoV-2 hiểm ác, nguyên nhân của COVID-19 và nhiều biến thể đáng lo ngại về tác dụng của nó, quá quỷ quyệt, nguy hiểm, dễ lây nhiễm, cũng biến mất. Bạn có cảm thấy tốt hơn không?
Không.
Viễn cảnh đó mù mờ hơn bạn tưởng. Sự thật là chúng ta đang sống trong thế giới của virut – đa dạng đến không ngờ và nhiều không đếm xuể. Chỉ riêng đại dương đã có thể chứa những hạt virut nhiều hơn số sao trên trời. Động vật hữu nhũ mang trong mình ít nhất 320.000 loài virut khác nhau. Khi bạn thêm vào những virut lây nhiễm qua động vật khác, thực vật, vi khuẩn trên cạn và mọi vật chủ khả dĩ khác, con số tổng sẽ lên đến… rất nhiều. Ngoài con số khổng lồ và hậu quả nặng nề: Nhiều loài virut mang lại những lợi ích thích nghi chứ không hề gây hại cho sự sống trên Trái Đất, kể cả loài người.
Chúng ta không thể sống tiếp mà không có virut. Cũng như sẽ không trỗi dậy từ mớ hỗn độn nguyên thuỷ nếu không có virut. Ví dụ, nếu không có hai chuỗi DNA có nguồn gốc từ virut hiện đang cư trú trong bộ gen của loài người và các loài linh trưởng khác thì việc mang thai sẽ là bất khả thi. DNA của virut “làm tổ” giữa các gen của động vật sống trên cạn, giúp đóng gói và lưu giữ ký ức trong những bong bóng protein tí hon. Vẫn còn những gen khác được lựa chọn từ virut góp phần vào sự phát triển phôi thai, điều chỉnh hệ miễn dịch và kháng bệnh ung thư. Những tác dụng quan trọng ấy chỉ mới bắt đầu được hiểu biết gần đây. Hoá ra virut đã có những vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các quá trình chuyển dịch tiến hoá lớn. Xoá bỏ hết virut, như trong thí nghiệm giả tưởng của chúng ta, tính đa dạng sinh học khổng lồ đang ôm lấy cả hành tinh sẽ sụp đổ như căn nhà gỗ xinh đẹp đột ngột bị rút hết đinh.
Khi con cá mập vằn bơi qua, một thợ lặn tại Thuỷ cung Thái Bình Dương ở Long Beach, Calofornia trưng ra hình ảnh về thực khuẩn thể, một chủng virut lây nhiễm cho vi khuẩn. Tuy vô hại với thực vật và động vật, nhưng thực khuẩn thể rất cần thiết cho hệ sinh thái biển lành mạnh. Đại dương trên Trái Đất chứa đầy các loài virut. Môi trường sống của san hô nhiệt đới và san hô mềm trong thuỷ cung này chứa 140.000 lít nước biển, với khoảng 5,32 nghìn nghìn tỷ virut. Nếu xếp chúng thẳng hàng, những virut đó có thể quấn quanh Trái Đất gần 8 vòng.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH THỰC KHUẨN THỂ CỦA DOMINIK HREBÍK VÀ PAVEL PLEVKA, PHÒNG THÍ NGHIỆM VIRUT HỌC CẤU TẠO, CEITEC, ĐẠI HỌC MASARYK, CỘNG HOÀ SÉC
Để đếm virut trong thuỷ cung san hô nhiệt đới Thái Bình Dương và san hô mềm, chúng tôi đã mời Alexandra Rae Santora, một nghiên cứu sinh tiến sĩ đang hợp tác với tiến sĩ Jed Fuhrman của Đại học Southern California. Cô cho mẫu chạy qua một màn lọc bắt vi khuẩn và virut 0,02 micron. Dùng chất nhuộm màu DNA để có thể nhìn thấy chúng dưới kính hiển vi huỳnh quang. Những chấm lớn hơn là vi khuẩn; những chấm nhỏ là virut. Nhờ lưới đếm, cô xác định được số lượng virut trong trường quan sát. Biết kích cỡ màn lọc và thể tích nước giúp cô tính được số lượng cá thể trên mỗi gallon.
ẢNH CHỤP BỞI ALEXANDRA RAE SANTORA
Virut là loài ký sinh, nhưng đôi khi tình trạng ký sinh đó giống cộng sinh hơn, phụ thuộc lẫn nhau cùng có lợi. Giống như lửa, virut là hiện tượng không hẳn tốt nhưng cũng không hẳn xấu; chúng có thể mang lại lợi thế hoặc tận thế. Mọi thứ đều phụ thuộc: phụ thuộc vào virut, vào hoàn cảnh, vào điểm tham chiếu của bạn. Chúng là những thiên sứ bóng đêm của quá trình tiến hoá, tuyệt vời và tuyệt tình. Bảo sao chúng lại thú vị đến vậy.
Để hiểu rõ sự phong phú của virut, bạn cần biết chúng là gì và không phải là gì. Chúng không phải là gì dễ trình bày hơn. Virut không phải tế bào sống. Tế bào tạo nên cơ thể của bạn, của tôi hoặc của một con bạch tuộc hay một bông hoa anh thảo, chứa bộ máy phức tạp có chức năng tổng hợp protein, đóng gói năng lượng và thực hiện nhiều chức năng chuyên biệt khác, phụ thuộc vào đó là tế bào cơ, tế bào chất gỗ hay tế bào thần kinh. Vi khuẩn cũng là một tế bào với những đặc tính tương tự, dù đơn giản hơn nhiều. Nhưng virut không phải tế bào.
Riêng việc virut là gì đã phức tạp đến mức các định nghĩa đã thay đổi trong suốt 120 năm qua. Năm 1898, nhà thực vật học người Hà Lan Martinus Beijerinck nghiên cứu virut khảm thuốc lá đã suy đoán rằng virut là một chất lỏng dễ lây nhiễm. Có thời kỳ virut được định nghĩa chủ yếu bằng kích thước của chúng – là một sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn rất nhiều nhưng, giống như vi khuẩn, có thể gây bệnh. Mãi về sau, virut vẫn được coi là một tác nhân gây bệnh siêu hiển vi, chỉ mang một bộ gen rất nhỏ, có thể tái tạo bên trong tế bào sống, nhưng đó chỉ mới là bước đầu tiến tới sự hiểu biết rõ ràng hơn.
“Chúng tôi sẽ bảo vệ quan điểm nghịch lý,” nhà vi sinh vật học người Pháp André Lwoff đã viết trong “Khái niệm về virut,” một bài luận văn có sức ảnh hưởng được đăng năm 1957, “cụ thể, virut là virut.” Tuy không phải là một định nghĩa quá hữu ích nhưng đó là lời cảnh báo thích đáng, một cách khác để diễn đạt “độc đáo vì là chính mình.” Ông hắng giọng trước khi bắt đầu một bài phát biểu phức tạp.
Lwoff biết rằng virut dễ miêu tả hơn so với việc định nghĩa. Mỗi hạt virut chứa một đoạn chỉ thị di truyền (được viết trong DNA hoặc RNA) được đóng gói bên trong vỏ protein (gọi là vỏ capsid). Trong một số trường hợp, vỏ capsid này được bao phủ bởi màng tế bào (như caramel phủ trên quả táo). Màng tế bào bảo vệ nó và giúp nó bám vào tế bào. Virut có thể tự nhân bản chính nó chỉ bằng cách thâm nhập vào tế bào và ra lệnh cho bộ máy in 3D chuyển hết thông tin di truyền thành protein.
Hộp sọ của người Neanderthal, một trong những hộp sọ nguyên vẹn nhất được tìm thấy, nằm cạnh những bộ xương người trong Musée de l’Homme (Bảo tàng Con người) ở Paris. Khi loài người hiện đại rời khỏi châu Phi, họ đã lai phối với người Neanderthal và lập tức có được các gen đã tiến hoá qua hàng trăm ngàn năm. Các nhà khoa học đã tìm thấy 152 gen được thừa hưởng từ người Neaderthal có thể giúp tạo ra phản ứng miễn dịch. Họ kết luận rằng các gen này cho phép tổ tiên chúng ta chống lại những loại virut mới mà họ mắc phải ở châu Âu.
ẢNH CHỤP BỞI RÉMI BÉNALI
Nếu tế bào vật chủ không may, nhiều hạt virut sẽ được sản sinh và thoát ra ngoài, bỏ lại tế bào như một đống đổ nát. Loại tổn hại đó, như những tổn hại mà SARS-CoV-2 gây ra trong các tế bào biểu mô của đường hô hấp, là một phần cách thức virut trở thành mầm bệnh.
Nhưng nếu tế bào vật chủ gặp may, có thể virut chỉ đơn giản định cư vào tiền đồn ấm cúng này, nằm im bất hoạt hoặc cấu trúc ngược bộ gen nhỏ của nó vào bộ gen của tế bào vật chủ, và chờ thời cơ. Khả năng thứ hai này mang nhiều ý nghĩa đối với sự pha trộn bộ gen, đối với tiến hoá, thậm chí đối với cảm nhận bản ngã của con người chúng ta, một chủ đề mà tôi sẽ quay lại sau. Cho đến thời điểm này, có một gợi ý: Trong một quyển sách nổi tiếng xuất bản năm 1983, nhà sinh vật học người Anh Peter Medawar và vợ ông, Jean, một biên tập viên, đã khẳng định, “Không có virut nào được coi là có lợi: Người ta đã nói rõ rằng virut là một ‘mẩu tin xấu được gói bằng protein.’ ” Họ đã lầm. Và nhiều nhà khoa học thời đó cũng vậy. Có thể hiểu được đó vẫn là một quan điểm được chấp nhận bởi những người có kiến thức về virut chỉ giới hạn ở những tin tức như cảm cúm hay COVID-19. Nhưng ngày nay một số virut được coi là có lợi. Thứ được gói trong protein là thông điệp di truyền, và nó có thể trở thành tin tốt hoặc tin xấu, tuỳ vào điều kiện.
Virut đầu tiên đến từ đâu? Câu hỏi này đỏi hỏi chúng ta phải nhìn lại gần bốn tỷ năm, vào thời kỳ sự sống trên Trái Đất chỉ mới xuất hiện từ một nồi súp nguyên thuỷ gồm các phân tử dài, các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn, và năng lượng.
Giả sử một số phân tử dài (có thể là RNA) bắt đầu nhân đôi. Thuyết chọn lọc tự nhiên của Darwin sẽ bắt đầu từ đây, khi những phân tử đó – những bộ gen đầu tiên – sinh sản, đột biến, và tiến hoá. Để tìm kiếm lợi thế cạnh tranh, một số phân tử có thể đã tìm ra hoặc tạo ra cơ chế bảo vệ trong màng tế bào và thành tế bào, dẫn đến hình thành những tế bào đầu tiên. Những tế bào này sinh ra thế hệ sau bằng cách phân đôi, tách ra làm hai. Chúng cũng tách ra theo nghĩa rộng, phân thành Vi khuẩn và Cổ khuẩn, hai trong ba vực của sự sống tế bào. Vực thứ ba, Sinh vật nhân chuẩn, xuất hiện sau đó. Sinh vật nhân chuẩn bao gồm chúng ta và tất cả các sinh vật khác (động vật, thực vật, nấm, một số vi sinh vật nhất định) được tạo thành từ các tế bào có cấu tạo bên trong phức tạp. Đó là ba nhánh khổng lồ của cây sinh giới, như được vẽ hiện nay.
Nhưng virut được xếp vào đâu? Có phải chúng là một nhánh chính thứ tư không? Hay chúng là một loại tầm gửi, một loài ký sinh từ nơi nào khác? Hầu hết các phiên bản của cây sinh giới đều loại bỏ hoàn toàn virut.
Nhà thần kinh học Jason Shepherd của Đại học Utah đang cầm tấm ảnh tái hiện không gian ba chiều của một vỏ protein giống virut đóng vai trò thiết yếu trong quá trình nhận thức và trí nhớ. Gen ARC mang mã di truyền tạo ra kỳ quan hình cầu này đã được động vật có xương sống sống trên cạn thu được từ tổ tiên giống virut khoảng 400 triệu năm trước. Vỏ protein này, giống với vỏ capsid bao quanh bộ gen virut, chuyên chở thông tin di truyền giữa các tế bào thần kinh trong bộ não con người cũng như trong bộ não của nhiều loài động vật khác.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH VỎ PROTEIN CHỤP BỞI SIMON ERLENDSSON, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC (TRÁI) VÀ ẢNH CHỤP BỞI ROBERT CLARK (PHẢI)
Một trường phái tư tưởng khẳng định rằng không nên xếp virut vào cây sinh giới vì chúng không phải là sinh vật sống. Đó là một cuộc tranh cãi kéo dài, xoay quanh việc bạn định nghĩa thế nào là “sống”. Hấp dẫn hơn là việc đưa virut vào ngôi nhà lớn mang tên Sự Sống, và sau đó thắc mắc chúng vào đó thế nào.
Có ba giả thuyết hàng đầu giải thích nguồn gốc tiến hoá của virut, được các nhà khoa học gọi là giả thuyết virut đầu tiên, giả thuyết trốn thoát và giả thuyết suy giảm. Giả thuyết virut đầu tiên là khái niệm cho rằng virut tồn tại trước cả tế bào, bằng cách nào đó chúng tự lắp ráp trực tiếp từ nồi súp nguyên thuỷ. Giả thuyết trốn thoát đặt ra rằng các gen hoặc đoạn gen bị rò rỉ từ tế bào, dần được bao bọc bởi lớp vỏ protein, rồi di chuyển vô định, tìm một ngóc ngách mới để ký sinh. Giả thuyết suy giảm suy đoán rằng virut lần đầu xuất hiện khi một số tế bào giảm kích thước dưới áp lực cạnh tranh (sẽ dễ nhân đôi hơn nếu bạn nhỏ và đơn giản), loại bỏ các gen đến khi chúng giảm kích thước tối giản đến mức chỉ còn cách ký sinh vào các tế bào mới có thể tồn tại.
Cũng có một giả thuyết thứ tư, được gọi là giả thuyết chimera, lấy cảm hứng từ một yếu tố di truyền khác là transposon (đôi khi được gọi là gen nhảy). Nhà di truyền học Barbara McClintock đã suy luận ra sự tồn tại của chúng vào năm 1948, một khám phá giúp bà đoạt giải Nobel. Những yếu tố di truyền cơ hội này đạt được thành công theo học thuyết Darwin chỉ đơn giản bằng cách nhảy từ phần này của bộ gen sang phần khác, trong những trường hợp hiếm thì từ một tế bào này sang tế bào khác, thậm chí từ loài này sang loài khác, sử dụng các nguồn lực tế bào để tự nhân bản mình, lặp đi lặp lại. Tự nhân bản bảo vệ transporon khỏi sự tuyệt chủng ngẫu nhiên. Chúng tích luỹ một cách kỳ lạ. Chẳng hạn, chúng cấu thành khoảng một nửa bộ gen loài người. Theo giả thuyết này, những virut cổ sơ ấy có thể đã phát sinh từ những yếu tố di truyền như vậy bằng cách vay mượn protein từ các tế bào để gói bản thân trơ trọi của mình vào lớp vỏ bảo vệ, một chiến lược phức tạp hơn.
Mỗi giả thuyết trên đều có những giá trị riêng. Nhưng năm 2003, bằng chứng mới đã khiến ý kiến của các chuyên gia ngả về hướng giả thuyết suy giảm: virut khổng lồ.
Ảnh chụp phôi thai loài người chỉ mới tám tế bào lấp ló sau Joanna Wysocka, giáo sư khoa sinh học phát triển tại Đại học Stanford. Wysocka và đồng nghiệp của bà đã khám phá ra retrovirut nội sinh – trình tự gen có được từ sự lây nhiễm virut cổ xưa – kích hoạt trong giai đoạn phát triển này và sản sinh protein. Wysocka tin rằng gen HERV-K đó có thể bảo vệ phôi thai khỏi lây nhiễm virut và giúp kiểm soát quá trình phát triển bào thai.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH PHÔI THAI CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC
Vào thời điểm phôi thai phát triển thành phôi nang nhiều tế bào như ảnh trên, HERV-K (được nhuộm xanh lục) sẽ xuất hiện khắp nơi nhưng được tập trung chủ yếu trong các tế bào sẽ trở thành thai nhi.
ẢNH CHỤP BỞI MARK WOSSIDLO, ĐẠI HỌC STANFORD/ĐẠI HỌC Y VIENNA
Virut khổng lồ được tìm thấy trong trùng amip, thuộc sinh vật nhân thực đơn bào. Những con trùng amip đó được thu thập từ nước trong tháp giải nhiệt ở Bradford, Anh. Bên trong một số con là đốm màu bí ẩn này. Nó đủ to để quan sát qua kính hiển vi quang học (virut được cho là quá nhỏ, chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử), và nó trông như vi khuẩn. Các nhà khoa học đã cố tìm ra các gen vi khuẩn bên trong nó nhưng không tìm được gì.
Cuối cùng, một nhóm nghiên cứu ở Marseille, Pháp đã lây nhiễm virut khổng lổ cho các con trùng amip khác, giải trình tự bộ gen, tìm ra nó là gì, rồi đặt tên là Mimivirus, vì nó bắt chước vi khuẩn, ít nhất là về kích cỡ. Đường kính nó rất lớn, lớn hơn cả những con vi khuẩn nhỏ nhất. Bộ gen cũng lớn so với một con virut, dài gần 1,2 triệu ký tự, so với con số 13.000 của virut cúm, hay thậm chí là con số 194.000 của virut đậu mùa. (DNA, giống như RNA, là một phân tử dài được tạo thành từ bốn loại phân tử bazo khác nhau, được viết tắt bằng ký tự đầu của chúng.) Đó là một virut “bất khả thi”: bản chất là virut nhưng tỷ lệ lại quá lớn, giống như một con bướm rừng Amazon vừa được khám phá có sải cánh dài 1,2 mét.
Jean-Michel Claverie là thành viên cấp cao của nhóm nghiên cứu Marseille. Việc khám phá ra Mimivirus, Claverie nói, “đã sinh ra nhiều rắc rối.” Tại sao? Bởi vì việc giải trình tự bộ gen của nó đã tiết lộ bốn gen hoàn toàn nằm ngoài dự kiến – những gen để mã hoá enzim được cho là chỉ có ở tế bào và chưa bao giờ thấy ở virut. Những enzim đó là một trong những thành phần dịch mã di truyền để lắp ráp các amino axit thành protein.
“Vậy nên câu hỏi ở đây là,” Claverie nói, “virut cần quái gì” những enzim sang chảnh đó, vốn thường hoạt động trong các tế bào, “khi nó đã có tế bào để làm gì tuỳ ý mà, đúng không?”
Thật vậy. Suy luận hợp lý là Mimivirus giữ chúng làm enzim lưu nhiệm vì dòng dõi của nó có nguồn gốc từ sự suy giảm bộ gen của tế bào.
Mimivirus không hề ăn may. Những virut khổng lồ tương tự cũng đã sớm được tìm thấy ở biển Sargasso, và cái tên đầu tiên đã trở thành tên chi, Mimivirus, gồm một số loài virut khổng lồ. Sau đó nhóm nghiên cứu Marseille đã khám phá thêm hai loài virut khổng lồ khác, cả hai loài đều ký sinh trong trùng amip, một loài từ trầm tích biển nông ngoài khơi bờ biển Chile, loài kia từ ao hồ ở Australia. Lớn gấp hai lần Mimivirus, thậm chí còn bất thường hơn, những loài virut này được xếp vào một chi riêng biệt mà Claverie và các đồng nghiệp của ông đặt tên là Pandoravirus, gợi liên tưởng đến chiếc hộp Pandora, khi họ giải thích năm 2013, bởi vì “những bất ngờ được mong đợi từ nghiên cứu sâu hơn của họ.”
150 triệu năm về trước, virut lây nhiễm cho động vật hữu nhũ và để lại các gen dẫn đến sự tiến bộ tiến hoá ngoạn mục: nhau thai. Nhau thai giúp chất dinh dưỡng và khí oxi tới được bào thai, đồng thời thải ra ngoài chất thải và khí cacbon dioxit. Loài người và các loài hữu nhũ khác có nhau thai có thể di chuyển xung quanh cùng với đứa con chưa sinh của mình, ít trở thành mục tiêu của kẻ săn mồi hơn. Ở loài người, hai gen syncytin-1 và syncytin-2 có nguồn gốc từ virut giúp hình thành màng nhau dính vào tử cung. Lớp màng này cũng có tác dụng ngăn hệ miễn dịch của người mẹ khỏi tấn công bào thai vì tưởng là vật thể lạ.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH BÀO THAI CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC (BÀO THAI 16 TUẦN TUỔI). NGƯỜI MẪU: MELODY CARBALLO, ĐANG MANG THAI 35 TUẦN TUỔI
Đồng tác giả liên lạc của Claverie trong bài báo đó là Chantal Abergel, một nhà virut học và sinh học cấu trúc (và cũng là vợ ông). Trong số các Pandoravirus, Abergel nói với tôi, cười mệt mỏi: “Chúng rất khó chịu. Những đứa con này của tôi.” Cô giải thích, thật khó lòng để biết chúng là gì, những sinh vật này quá khác biệt so với tế bào, quá khác biệt so với virut cổ điển, và mang nhiều gen không hề giống những gì từng được quan sát. “Tất cả những điều đó khiến chúng vừa hấp dẫn vừa bí ẩn.” Đã có thời cô từng gọi chúng là DSM: dạng sống mới. Nhưng khi quan sát thấy chúng không nhân đôi bằng cách phân bào, cô và các đồng nghiệp nhận ra chúng chính là virut – những con virut lớn nhất và phức tạp nhất từ trước tới giờ.
Những phát hiện này khiến nhóm nghiên cứu Marseille phỏng đoán về một giả thuyết suy giảm phái sinh táo bạo. Có lẽ virut đúng là có nguồn gốc từ việc suy giảm từ các tế bào cổ đại, nhưng tế bào loại này đã không còn hiện diện trên Trái Đất nữa. Loại “tế bào nguyên mẫu tổ tiên” đó có thể không giống và đã từng cạnh tranh với tổ tiên chung của tất cả tế bào được biết ngày nay. Có lẽ các tế bào nguyên mẫu đã thua trong cuộc chiến đó và bị loại bỏ khỏi mọi môi sinh sẵn có cho các sinh vật sống tự do. Chúng có thể đã tồn tại ký sinh trong các tế bào khác, giảm kích thước bộ gen, và trở thành virut như cách chúng ta gọi. Từ vương quốc tế bào đã biến mất đó, có lẽ chỉ mỗi virut là còn sống, giống như những tảng đá khổng lồ trên Đảo Phục Sinh.
Khám phá ra virut khổng lồ đã truyền cảm hứng cho cả những nhà khoa học khác, tiêu biểu là Patrick Forterre tại Viện Pasteur ở Paris, để hình thành nên những ý tưởng mới lạ về câu hỏi virut là gì và vai trò kiến tạo của chúng, cũng như vai trò kế tiếp của chúng là gì trong quá trình tiến hoá và các chức năng của sự sống tế bào.
Định nghĩa trước đây của “virut” chưa đầy đủ, Forterre đề xuất, vì các nhà khoa học đang nhầm lẫn giữa các hạt virut, những mảnh bộ gen có vỏ capsid, được gọi đúng là virion, với tính tổng thể của virut. Sai sót này giống như nhầm lẫn hạt giống với thực vật, hay bào tử với nấm. Virion chỉ là cơ chế phân tán. Tính toàn vẹn thực chất của virut còn gồm cả sự hiện diện của nó bên trong tế bào, khi nó đã chiếm giữ bộ máy tế bào để tái tạo nhiều virion hơn, nhiều hạt giống của chính mình hơn. Quan sát hai giai đoạn cùng nhau để thấy rằng tế bào đã thực sự trở thành một phần trong chu kỳ sống của virut.
Forterre củng cố khái niệm đó bằng cách tạo ra một cái tên mới cho thực thể kết hợp này: siêu vi bào (virocell). Ý tưởng này cũng vượt qua được câu hỏi hóc búa sống hay không sống. Virut sống khi nó là siêu vi bào, theo nhận định của Forterre, đừng bận tâm virion vô sinh của nó.
“Ý tưởng đằng sau khái niệm siêu vi bào,” ông nói với tôi qua Skype từ Paris, “chủ yếu tập trung vào giai đoạn nội bào này.” Đó là giai đoạn nhạy cảm khi tế bào bị nhiễm, như một thây ma, đang tuân theo mệnh lệnh của virut, đọc bộ gen virut và tái tạo nó, nhưng đôi khi có bỏ qua, trì trệ và lỗi sai. Trong quá trình đó, “các gen mới có thể có nguồn gốc từ bộ gen của virut. Và với tôi, đây mới là điểm chính.” Virut mang lại sự cải tiến, nhưng tế bào cũng phản ứng lại bằng những cải tiến phòng vệ của chính mình, như thành tế bào hoặc nhân tế nào, và vì thế đó là một cuộc “chạy đua vũ trang” hướng đến tính phức tạp lớn hơn. Nhiều nhà khoa học giả định rằng virut đạt được những thay đổi tiến hoá lớn bằng hình mẫu “virut móc túi”, đánh cắp DNA từ các sinh vật bị lây nhiễm, rồi sau đó đặt các mảnh đã đánh cắp vào bộ gen để sử dụng. Forterre lập luận rằng việc “ăn cắp vặt” có thể thường xuyên đi theo hướng khác hơn, các tế bào lấy gen từ virut.
Lá phổi được bảo quản của một bé gái hai tuổi tử vong năm 1912 tại bệnh viện Charité ở Berlin là bằng chứng cho thấy virut sởi lây lan từ bò sang người vào thể kỷ thứ 4 TCN, sớm hơn một ngàn năm so với suy nghĩ ban đầu. Nhà sinh vật học tiến hoá Sébastien Calvignac-Spencer của Viện Robert Koch bắt gặp mẫu vật này tại Bảo tàng Lịch sử Y học Berlin. Ông giải trình tự bộ gen virut sởi, loài virut được biết đầu tiên, rồi sử dụng nó và các bộ gen virut sởi khác để tính toán thời điểm nó tách ra khỏi virut của bò.
ẢNH CHỤP BỞI MARKUS BACHMANN
Một quan điểm còn sâu rộng hơn của Forterre, Claverie và một số nhà khoa học khác trong lĩnh vực này, kể cả Gustavo Caetano-Anollés tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, cho rằng virut là nguồn gốc ưu việt của tính đa dạng di truyền. Theo cách nghĩ này, virut đã làm phong phú các lựa chọn tiến hoá của sinh vật tế bào trong vài tỷ năm qua bằng cách gửi vật liệu di truyền mới vào bộ gen của chúng. Quá trình kỳ lạ này là một phiên bản của hiện tượng chuyển hoá gen theo chiều ngang, các gen toả ra hai phía, băng qua ranh giới giữa các giống loài. (Chuyển hoá gen theo chiều dọc là một dạng thức di truyền quen thuộc hơn: từ cha mẹ sang con cái.) Dòng gen của virut chảy vào bộ gen tế bào đã “quá tải,” Forterre và một cộng sự lập luận, và có thể giúp giải thích một số quá trình chuyển dịch tiến hoá lớn, như nguồn gốc của DNA, nguồn gốc của nhân tế bào trong các sinh vật phức tạp, nguồn gốc của thành tế bào, và có lẽ còn là sự tách ra của ba nhánh lớn đó trên cây sinh giới.
Ngày trước, lúc COVID-19 chưa xuất hiện, thỉnh thoảng những cuộc thảo luận sôi nổi kéo dài của các nhà khoa học diễn ra trực tiếp, không phải qua Skype. Ba năm trước, tôi đã bay từ Montana đến Paris vì muốn đàm đạo với Thierry Heidmann về virus và gen syncytin-2. Ông và nhóm của mình đã khám phá ra nó bằng cách kiểm tra bộ gen con người, tất cả 3,1 tỷ ký tự mã, để tìm ra các đoạn DNA trông giống như loại gen mà virut sẽ dùng để tạo ra lớp màng của nó. Họ đã tìm thấy khoảng 20 đoạn gen.
“Ít nhất có hai đoạn gen được chứng minh là rất quan trọng,” Heidmann nói. Chúng quan trọng vì có khả năng thực hiện chức năng chủ yếu đối với quá trình mang thai của loài người. Hai đoạn gen đó là syncytin-1, được khám phá lần đầu bởi các nhà khoa học khác, và syncytin-2, do ông và nhóm của mình tìm ra. Các gen này đã trở thành một phần của bộ gen loài người như thế nào, và chúng dần trở nên thích nghi với mục đích gì, là những khía cạnh của một câu chuyện đáng lưu ý bắt đầu từ khái niệm virut sao ngược (retrovirut) nội sinh ở người.
Virut sao ngược là virut có bộ gen RNA phiên mã ngược so với hướng thông thường (nên gọi là “retro”). Thay vì sử dụng DNA để tạo RNA, sau đó phục vụ như một người truyền tin được gửi đến máy in 3D để tạo ra protein, những virut này lại sử dụng RNA của nó để tạo DNA và sau đó hợp nhất DNA ấy với bộ gen của tế bào bị nhiễm. Ví dụ, HIV là một virut sao ngược lây nhiễm sang các tế bào miễn dịch của con người, chèn bộ gen của nó vào bộ gen của tế bào. Tại đó, nó nằm im chờ thời. Đến một thời điểm nào đó, DNA của virut được kích hoạt, trở thành khuôn mẫu để sản sinh nhiều virion HIV hơn, giết chết tế bào khi chúng bùng phát ra ngoài.
Các nhà khoa học vẫn đang cố truy tìm nguồn gốc của virut corona SAR-CoV-2. Dơi móng ngựa cỡ đại và tê tê Trung Quốc được coi là vật chủ khả dĩ. Virut được tìm thấy trong hai loài này có liên quan đến virut gây ra đại dịch. Phó giáo sư khoa sinh học Maciej Boni của Đại học bang Pennsylvania cùng một nhóm nghiên cứu quốc tế đã theo dấu virut trở về khoảng một trăm năm trước, khi virut corona ở tê tê tách ra khỏi virut ở dơi. SARS-CoV-2 có thể đã tiến hoá từ những virut có liên quan mật thiết nhất với virut của dơi khoảng 40 đến 70 năm trước. “Rất ít thông tin về tính đa dạng của những virut này,” Boni nói, và cho biết thêm rằng hàng chục ngàn bộ gen của virut cúm gia cầm đã được xác định, nhưng với virut corona con số này chưa đến một trăm. “Về nguyên tắc, có thể tồn tại những virut lây lan trong loài dơi có họ hàng gần với SARS-CoV-2 hoặc rất giống với SARS-CoV-2, nhưng chúng tôi chưa thực hiện đủ các nghiên cứu trên dơi; chúng tôi chưa thu thập đủ virut trong dơi và chúng tôi chưa biết.” Con dơi này (Rhinolophus ferrumequinum) được bắt trong vùng Tashkent của Uzbekistan năm 1921; còn con tê tê này (Manis pentadactyla) đến từ tỉnh Quý Châu, Trung Quốc năm 1945.
ẢNH DO CRAIG CUTLER CHỤP TẠI VIỆN BẢO TÀNG LỊCH SỬ TỰ NHIÊN HẠT LOS ANGELES
Bước ngoặt lớn là đây: Một số virut sao ngược lây nhiễm vào tế bào sinh sản – tế bào sản sinh ra trứng và t.inh tr.ùng – và bằng cách đó, chúng chèn DNA của mình vào bộ gen có khả năng di truyền của vật chủ. Những đoạn gen được chèn đó là virut sao ngược “nội sinh” (bên trong), và khi hợp nhất với bộ gen con người, chúng được gọi là virut sao ngược nội sinh của loài người (HERVs). Nếu bạn quên hết bài viết này, bạn có thể nên nhớ rằng 8% bộ gen loài người chứa DNA của virut như vậy, được ráp vào giống loài của chúng ta bởi virut sao ngược trong suốt quá trình tiến hoá. Mỗi người chúng ta có 1/12 HERV. Gen syncytin-2 nằm trong số những đoạn ráp quan trọng đó.
Tôi ngồi trong văn phòng của Heidmann suốt 4 tiếng để nghe ông giải thích, với một chiếc laptop trên khuỷu tay đưa ra các đồ thị và biểu đồ, nguồn gốc và chức năng của đoạn gen đặc biệt này. Bản chất của nó rất đơn giản. Một đoạn gen ban đầu giúp virut dung hợp với tế bào vật chủ đã thâm nhập vào bộ gen động vật cổ đại. Sau đó được tái thích nghi để tạo ra protein tương tự giúp hợp nhất các tế bào, tạo nên cấu trúc đặc biệt xung quanh. Cấu trúc đó là nhau thai, mở ra khả năng mới ở một số loài động vật: mang thai bên trong. Cải tiến đó có hệ quả rất lớn trong lịch sử tiến hoá, giúp con cái có khả năng mang đứa con đang lớn của mình đi loanh quanh ngay bên trong cơ thể, thay vì để chúng dễ bị đe doạ ở một nơi, như trứng trong tổ.
Gen đầu tiên thuộc loại này đến từ một virut sao ngược nội sinh được thay thế bằng những gen khác tương tự nhưng có vai trò phù hợp hơn. Theo thời gian, thiết kế của chế độ sinh sản mới đó cải thiện và nhau thai tiến hoá. Trong số những gen tiếp nhận từ virut có syncytin-2, một trong hai gen syncytin của loài người giúp hợp nhất các tế bào để tạo thành lớp màng nhau ngay cạnh tử cung. Cấu trúc độc đáo đó, trung gian giữa người mẹ và bào thai, cho phép chất dinh dưỡng và khí oxi đi vào, mang chất thải và khí cacbon dioxit ra ngoài, và có thể bảo vệ bào thai khỏi bị tấn công bởi hệ miễn dịch của người mẹ. Đó gần như là một phép màu của thiết kế hiệu quả. Trong đó, quá trình tiến hoá đã chuyển một thành phần của virut thành của con người.
Heidmann và tôi nghỉ để ăn trưa rồi sau đó tiếp tục thêm hai giờ đồng hồ nữa. Cuối cùng, não tôi ong ong, tập ghi chú đã kín chữ, tôi hỏi ông: Tất cả những điều đó cho biết gì về cách thức quá trình tiến hoá đã diễn ra? Ông cười lớn thích thú khiến tôi cười theo, vì quá đỗi ngạc nhiên và mệt nhọc.
“Gen của chúng ta không hoàn toàn là của chúng ta,” ông nói. “Những gen đó cũng là của virut sao ngược.”
Không gian làm việc bên trong một chiếc kính hiển vi điện tử dẫn truyền đông lạnh cho thấy công nghệ phức tạp của nó. Công cụ này có thể tạo ra hình ảnh virut nhỏ đến cấp độ nguyên tử trong không gian ba chiều, tiết lộ cấu trúc gai quen thuộc của SARS-CoV-2. Màn hình được sử dụng cùng với kính hiển vi đang hiển thị thiết diện của virut và mô hình điện toán ba chiều.
ẢNH CHỤP BỞI LEO HILLIER, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC
ẢNH TRÊN MÀN HÌNH CHỤP BỞI ZUNLONG KE, LESLEY MCKEANE, VÀ JOHN BRIGGS, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC
Đóng góp của virut sao ngược trong gen syncytin-2 chỉ là một ví dụ rất nhỏ. Một đóng góp khác là gen ARC, được biểu hiện để phản ứng với hoạt động của tế bào thần kinh ở động vật hữu nhũ và ruồi. Nó gần giống với gen của virut sao ngược mã hoá cho vỏ capsid protein. Các nghiên cứu gần đây, kể cả của nhóm Jason Shepherd tại Đại học Utah, phỏng đoán rằng ARC đóng vai trò then chốt trong lưu trữ thông tin nội mạng thần kinh. Hay còn gọi là: ký ức. Có vẻ như ARC đóng gói thông tin thu được từ trải nghiệm (dưới dạng RNA) thành các túi protein nhỏ mang thông tin từ tế bào thần kinh này đến tế bào thần kinh khác.
Tại Khoa Y Đại học Stanford, Joanna Wysocka cùng với nhóm của mình đã tìm ra bằng chứng cho thấy các mảnh virut được tạo ra bằng virut sao ngược nội sinh của loài người, HERV-K, đã hiện hữu bên trong phôi thai loài người vào giai đoạn sớm nhất và có thể đóng một số vai trò tích cực trong việc bảo vệ phôi thai khỏi bị lây nhiễm virut, hoặc giúp kiểm soát quá trình phát triển bào thai, hoặc cả hai. Hơn nữa, nhóm của cô đã tập trung vào một transposon đặc biệt dường như đã tham gia vào bộ gen của loài người làm phần mở đầu của HERV-K, sau đó tìm cách tự sao chép và nhảy đến các phần khác của bộ gen, nên giờ đây nó đã có mặt trong 697 bản sao rải rác. Các bản sao đó dường như giúp kích hoạt tầm 300 gen của loài người.
Wysocka chia sẻ, “Với tôi, điều đáng kinh ngạc là các gen HERV chiếm khoảng 8% bộ gen loài người,” một tỷ lệ mà sự tồn tại chúng ta về cơ bản là “bãi tha ma của những lần lây nhiễm virut sao ngược trước đây.” Sự việc còn đáng kinh ngạc hơn khi suy ngẫm về cách thức “lịch sử lây nhiễm virut sao ngược trong quá khứ của chúng ta vẫn đang tiếp tục định hình quá trình tiến hoá cấp độ loài.”
Nếu 8% bộ gen của bạn và tôi là DNA cùa virut sao ngược, và một nửa là các tranposon, thế thì có lẽ chính khái niệm về tính cá nhân của loài người (chứ đừng nói đến tính thượng đẳng) không hề vững chắc như chúng ta hằng tin.
Hẳn nhiên, khuyết điểm của tính nhanh nhẹn trong tiến hoá ấy là virut đôi lúc có thể đổi vật chủ, di chuyển lung tung từ loài này sang loài khác và trở thành mầm bệnh trong vật chủ mới xa lạ. Đó gọi là sự lây lan, và đó là cách phần lớn các bệnh truyền nhiễm mới ở loài người xuất hiện – bằng những virut có được từ vật chủ khác ngoài con người.
Một lát cắt tái tạo của SARS-CoV-2 từ chụp cắt lợp điện tử đông lạnh cho thấy các gai nhô ra theo các góc độ kì lạ. Các gai này có ba khớp nối – hông, đầu gối và mắt cá – cho phép chúng bơi quanh quẩn, tăng cao xác suất gắn vào một tế bào nào đó.
ẢNH SAR-COV-2 CHỤP BỞI BEATA TUROŇOVÁ VÀ MARTIN BECK, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ CHÂU ÂU
Một mô hình phân tử ở độ phân giải nguyên tử cho thấy các protein tạo nên gai đó, với các chuỗi giống nhau được chỉ thị bằng màu đỏ, cam và vàng. Chúng được che chắn bởi các chuỗi glycan – các phân tử giống đường có màu xanh lam. Chuỗi glycan giấu chiếc gai khỏi bị kháng thể của con người phá huỷ. Hiểu cấu trúc của chiếc gai là chìa khoá để chế tạo vắc-xin có hiệu quả.
HÌNH ẢNH MÔ HÌNH PHÂN TỪ ĐƯỢC CHỤP BỞI MATEUSZ SIKORA, VIỆN SINH LÝ HỌC MAX PLANCK
Trong vật chủ gốc, còn được khoa học gọi là vật chủ tích trữ, virut có thể tồn tại thầm lặng ở số lượng ít và tác động ít suốt hàng ngàn năm. Nó có thể đạt tới sự thích nghi tiến hoá với vật chủ tích trữ, chấp nhận trạng thái an toàn đổi lại không gây rắc rối. Nhưng trong vật chủ mới, như con người, thoả thuận cũ không nhất thiết phải giữ nữa. Virut có thể bùng nổ về số lượng, gây ra khó chịu hoặc khốn khổ trong nạn nhân đầu tiên. Nếu virut không chỉ tái tạo mà còn lây lan từ người sang người, giữa một tá các cá thể khác, thì đó gọi là bùng phát. Nếu nó quét qua một cộng đồng hoặc một quốc gia, thì gọi là dịch bệnh. Nếu nó bao trùm toàn thế giới, thì đó là đại dịch. Vậy nên giờ chúng ta trở lại với SARS-CoV-2.
Một số chủng virut có khả năng gây ra đại dịch cao hơn các chủng khác. Đứng đầu danh sách các ứng cử viên đáng lo ngại nhất là virut corona bởi bản chất của bộ gen, khả năng thay đổi và tiến hoá của chúng, cũng như tiền sử gây bệnh nghiêm trọng ở người. Nhóm đó bao gồm cả virut SARS (hội chứng hô hấp cấp tính nghiêm trọng) năm 2002-2003 và MERS (hội chứng hô hấp Trung Đông) năm 2012-2015. Vì vậy khi cụm từ “virut corona chủng mới” bắt đầu được sử dụng để miêu tả virut mới gây ra những cụm bệnh ở Vũ Hán, Trung Quốc, hai từ đó thôi đã đủ khiến các nhà khoa học dịch tễ trên khắp thế giới phải rùng mình.
Virut corona thuộc nhóm virut RNA sợi đơn nổi tiếng nguy hiểm, bao gồm virut cúm, virut Ebola, virut bệnh dại, virut sởi, virut Nepah, virut hanta và virut sao ngược. Chúng nổi tiếng nguy hiểm một phần vì bộ gen RNA sợi đơn thường xuyên đột biến khi virut tái tạo, và những đột biến như vậy cung cấp nhiều biến dị di truyền ngẫu nhiên mà theo đó chọn lọc tự nhiên có thể hoạt động.
Tuy vậy, virut corona lại tiến hoá tương đối chậm so với các virut RNA khác. Chúng mang bộ gen khá dài, bộ gen của SARS-CoV-2 dài đến khoảng 30.000 ký tự, nhưng bộ gen của chúng thay đổi chậm hơn các virut khác vì chúng có enzim đọc sửa để sửa lỗi các đột biến. Nhưng chúng cũng có khả năng thực hiện thủ thuật tái tổ hợp. Theo đó, hai sợi của virut corona lây nhiễm vào cùng một tế bào sẽ hoán đổi các phần bộ gen của mình và tạo ra một chuỗi lai virut corona thứ ba. Có thể đó là cách virut corona tạo ra chủng mới SARS-CoV-2.
Virut tổ tiên của nó có thể cư trú trong loài dơi, như dơi móng ngựa, thuộc chi ăn côn trùng có thân nhỏ, mũi hình móng ngựa, thường mang virut corona. Nếu quá trình tái tổ hợp đã thực sự xảy ra, cùng với một số yếu tố mới quan trọng từ một chủng virut corona khác, thì nó có thể đã diễn ra bên trong loài dơi hoặc một loài động vật khác. (Tê tê cũng được đề xuất; các loài khác cũng là những ứng cử viên.) Các nhà khoa học đang khám phá những khả năng đó bằng cách giải trình tự và đối chiếu bộ gen của những virut được tìm thấy trong nhiều vật chủ tiềm năng. Đến hiện tại, chúng ta chỉ biết rằng SARS-CoV-2 ngày nay tồn tại được trong con người là một loài virut xảo quyệt có khả năng tiến hoá xa hơn nữa.
Vậy nên virut cho đi nhiều và cũng lấy lại nhiều. Đến cuối cùng, có lẽ lý do khó xếp chúng vào cây sinh giới là bởi vì lịch sử của sự sống không hẳn có hình dáng của một cái cây. Phép so sánh với cây cối chỉ là cách minh hoạ cho quá trình tiến hoá truyền thống của chúng ta, do Charles Darwin chuẩn hoá. Nhưng Darwin, dù có vĩ đại đến mấy, cũng không hề biết gì về chuyển hoá gen theo chiều ngang. Trên thực tế, ông không biết gì về gen. Ông không biết gì về virut. Giờ đây chúng ta thấy rằng mọi thứ rất phức tạp. Ngay cả virut, chủng loài thoạt nhìn dường như rất đơn giản, cũng thật phức tạp. Nếu tính phức tạp của virut cho chúng ta cái nhìn rõ hơn về sự gắn bó rối rắm của thế giới tự nhiên, và nếu việc chiêm nghiệm những cấu thành từ virut trong chính chúng ta làm mất đi tính riêng siêu thường của mình, thôi thì tôi sẽ để lại cho bạn phân trần xem đó là lợi ích hay tác hại.
16 quyển sách của David Quammen kể cả “Sự lây lan: Lây nhiễm ở động vật và đại dịch tiếp theo của loài người”, đã dự báo trước COVID-19. Craig Cutler là một nghệ sĩ và một nhiếp ảnh gia chuyên chụp ảnh tĩnh vật và chân dung môi trường, đã cố kể lại câu chuyện trong từng bức ảnh.
Ghi chú của biên tập viên: Bức ảnh bào thai đầu bài và bào thai được chiếu phía sau người mẫu Melody Carballo, cũng như phôi thai được chiếu phía sau Joanna Wysocka, được chụp bởi nhiếp ảnh gia Lennart Nilsson (1922-2017). Tác phẩm đột phá của ông ghi lại sự sống trước lúc sinh ra lần đầu được giới thiệu trên tạp chí Life năm 1965 và vẫn chưa có tác phẩm nào có thể vượt qua được.
ẢNH CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC (HAI ẢNH)
Hãy thử tưởng tượng Trái Đất không có virut.
Chúng ta vẩy đũa phép, và tất cả virut đều không còn. Virut bệnh dại, virut bại liệt, virut Ebola biến mất. Virut sởi, virut quai bị và nhiều loại bệnh cúm biến mất. Nỗi khốn khổ và cái chết của loài người giảm mạnh. HIV biến mất, nên thảm hoạ AIDS cũng chưa từng xảy ra. Virut Nipah, Hendra, Machupo và Sin Nombre cũng biến mất, không cần phải bận tâm về những ghi chép hỗn loạn xấu xí của chúng nữa. Sốt xuất huyết biến mất. Virut rota biến mất, một ân huệ lớn cho trẻ em ở các nước đang phát triển tử vong hàng trăm ngàn người mỗi năm. Virut Zika, virut sốt vàng da biến mất. Virut Herpes B có trong loài khỉ thường gây tử vong khi lây sang người cũng biến mất. Không còn ai bị thuỷ đậu, viêm gan, giời leo hay thậm chí là cảm mạo thông thường. Variola, tác nhân gây bệnh đậu mùa đã bị xoá sổ ngoài tự nhiên năm 1977, giờ đây cũng bốc hơi khỏi những tủ đông được bảo mật cao, nơi lưu trữ những mẫu vật ma quái cuối cùng. Virut SARS năm 2003, hồi chuông báo hiệu kỷ nguyên đại dịch thời hiện đại, cũng biến mất. Và dĩ nhiên virut SARS-CoV-2 hiểm ác, nguyên nhân của COVID-19 và nhiều biến thể đáng lo ngại về tác dụng của nó, quá quỷ quyệt, nguy hiểm, dễ lây nhiễm, cũng biến mất. Bạn có cảm thấy tốt hơn không?
Không.
Viễn cảnh đó mù mờ hơn bạn tưởng. Sự thật là chúng ta đang sống trong thế giới của virut – đa dạng đến không ngờ và nhiều không đếm xuể. Chỉ riêng đại dương đã có thể chứa những hạt virut nhiều hơn số sao trên trời. Động vật hữu nhũ mang trong mình ít nhất 320.000 loài virut khác nhau. Khi bạn thêm vào những virut lây nhiễm qua động vật khác, thực vật, vi khuẩn trên cạn và mọi vật chủ khả dĩ khác, con số tổng sẽ lên đến… rất nhiều. Ngoài con số khổng lồ và hậu quả nặng nề: Nhiều loài virut mang lại những lợi ích thích nghi chứ không hề gây hại cho sự sống trên Trái Đất, kể cả loài người.
Chúng ta không thể sống tiếp mà không có virut. Cũng như sẽ không trỗi dậy từ mớ hỗn độn nguyên thuỷ nếu không có virut. Ví dụ, nếu không có hai chuỗi DNA có nguồn gốc từ virut hiện đang cư trú trong bộ gen của loài người và các loài linh trưởng khác thì việc mang thai sẽ là bất khả thi. DNA của virut “làm tổ” giữa các gen của động vật sống trên cạn, giúp đóng gói và lưu giữ ký ức trong những bong bóng protein tí hon. Vẫn còn những gen khác được lựa chọn từ virut góp phần vào sự phát triển phôi thai, điều chỉnh hệ miễn dịch và kháng bệnh ung thư. Những tác dụng quan trọng ấy chỉ mới bắt đầu được hiểu biết gần đây. Hoá ra virut đã có những vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các quá trình chuyển dịch tiến hoá lớn. Xoá bỏ hết virut, như trong thí nghiệm giả tưởng của chúng ta, tính đa dạng sinh học khổng lồ đang ôm lấy cả hành tinh sẽ sụp đổ như căn nhà gỗ xinh đẹp đột ngột bị rút hết đinh.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH THỰC KHUẨN THỂ CỦA DOMINIK HREBÍK VÀ PAVEL PLEVKA, PHÒNG THÍ NGHIỆM VIRUT HỌC CẤU TẠO, CEITEC, ĐẠI HỌC MASARYK, CỘNG HOÀ SÉC
ẢNH CHỤP BỞI ALEXANDRA RAE SANTORA
Virut là loài ký sinh, nhưng đôi khi tình trạng ký sinh đó giống cộng sinh hơn, phụ thuộc lẫn nhau cùng có lợi. Giống như lửa, virut là hiện tượng không hẳn tốt nhưng cũng không hẳn xấu; chúng có thể mang lại lợi thế hoặc tận thế. Mọi thứ đều phụ thuộc: phụ thuộc vào virut, vào hoàn cảnh, vào điểm tham chiếu của bạn. Chúng là những thiên sứ bóng đêm của quá trình tiến hoá, tuyệt vời và tuyệt tình. Bảo sao chúng lại thú vị đến vậy.
Để hiểu rõ sự phong phú của virut, bạn cần biết chúng là gì và không phải là gì. Chúng không phải là gì dễ trình bày hơn. Virut không phải tế bào sống. Tế bào tạo nên cơ thể của bạn, của tôi hoặc của một con bạch tuộc hay một bông hoa anh thảo, chứa bộ máy phức tạp có chức năng tổng hợp protein, đóng gói năng lượng và thực hiện nhiều chức năng chuyên biệt khác, phụ thuộc vào đó là tế bào cơ, tế bào chất gỗ hay tế bào thần kinh. Vi khuẩn cũng là một tế bào với những đặc tính tương tự, dù đơn giản hơn nhiều. Nhưng virut không phải tế bào.
Riêng việc virut là gì đã phức tạp đến mức các định nghĩa đã thay đổi trong suốt 120 năm qua. Năm 1898, nhà thực vật học người Hà Lan Martinus Beijerinck nghiên cứu virut khảm thuốc lá đã suy đoán rằng virut là một chất lỏng dễ lây nhiễm. Có thời kỳ virut được định nghĩa chủ yếu bằng kích thước của chúng – là một sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn rất nhiều nhưng, giống như vi khuẩn, có thể gây bệnh. Mãi về sau, virut vẫn được coi là một tác nhân gây bệnh siêu hiển vi, chỉ mang một bộ gen rất nhỏ, có thể tái tạo bên trong tế bào sống, nhưng đó chỉ mới là bước đầu tiến tới sự hiểu biết rõ ràng hơn.
“Chúng tôi sẽ bảo vệ quan điểm nghịch lý,” nhà vi sinh vật học người Pháp André Lwoff đã viết trong “Khái niệm về virut,” một bài luận văn có sức ảnh hưởng được đăng năm 1957, “cụ thể, virut là virut.” Tuy không phải là một định nghĩa quá hữu ích nhưng đó là lời cảnh báo thích đáng, một cách khác để diễn đạt “độc đáo vì là chính mình.” Ông hắng giọng trước khi bắt đầu một bài phát biểu phức tạp.
Lwoff biết rằng virut dễ miêu tả hơn so với việc định nghĩa. Mỗi hạt virut chứa một đoạn chỉ thị di truyền (được viết trong DNA hoặc RNA) được đóng gói bên trong vỏ protein (gọi là vỏ capsid). Trong một số trường hợp, vỏ capsid này được bao phủ bởi màng tế bào (như caramel phủ trên quả táo). Màng tế bào bảo vệ nó và giúp nó bám vào tế bào. Virut có thể tự nhân bản chính nó chỉ bằng cách thâm nhập vào tế bào và ra lệnh cho bộ máy in 3D chuyển hết thông tin di truyền thành protein.
ẢNH CHỤP BỞI RÉMI BÉNALI
Nếu tế bào vật chủ không may, nhiều hạt virut sẽ được sản sinh và thoát ra ngoài, bỏ lại tế bào như một đống đổ nát. Loại tổn hại đó, như những tổn hại mà SARS-CoV-2 gây ra trong các tế bào biểu mô của đường hô hấp, là một phần cách thức virut trở thành mầm bệnh.
Nhưng nếu tế bào vật chủ gặp may, có thể virut chỉ đơn giản định cư vào tiền đồn ấm cúng này, nằm im bất hoạt hoặc cấu trúc ngược bộ gen nhỏ của nó vào bộ gen của tế bào vật chủ, và chờ thời cơ. Khả năng thứ hai này mang nhiều ý nghĩa đối với sự pha trộn bộ gen, đối với tiến hoá, thậm chí đối với cảm nhận bản ngã của con người chúng ta, một chủ đề mà tôi sẽ quay lại sau. Cho đến thời điểm này, có một gợi ý: Trong một quyển sách nổi tiếng xuất bản năm 1983, nhà sinh vật học người Anh Peter Medawar và vợ ông, Jean, một biên tập viên, đã khẳng định, “Không có virut nào được coi là có lợi: Người ta đã nói rõ rằng virut là một ‘mẩu tin xấu được gói bằng protein.’ ” Họ đã lầm. Và nhiều nhà khoa học thời đó cũng vậy. Có thể hiểu được đó vẫn là một quan điểm được chấp nhận bởi những người có kiến thức về virut chỉ giới hạn ở những tin tức như cảm cúm hay COVID-19. Nhưng ngày nay một số virut được coi là có lợi. Thứ được gói trong protein là thông điệp di truyền, và nó có thể trở thành tin tốt hoặc tin xấu, tuỳ vào điều kiện.
Virut đầu tiên đến từ đâu? Câu hỏi này đỏi hỏi chúng ta phải nhìn lại gần bốn tỷ năm, vào thời kỳ sự sống trên Trái Đất chỉ mới xuất hiện từ một nồi súp nguyên thuỷ gồm các phân tử dài, các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn, và năng lượng.
Giả sử một số phân tử dài (có thể là RNA) bắt đầu nhân đôi. Thuyết chọn lọc tự nhiên của Darwin sẽ bắt đầu từ đây, khi những phân tử đó – những bộ gen đầu tiên – sinh sản, đột biến, và tiến hoá. Để tìm kiếm lợi thế cạnh tranh, một số phân tử có thể đã tìm ra hoặc tạo ra cơ chế bảo vệ trong màng tế bào và thành tế bào, dẫn đến hình thành những tế bào đầu tiên. Những tế bào này sinh ra thế hệ sau bằng cách phân đôi, tách ra làm hai. Chúng cũng tách ra theo nghĩa rộng, phân thành Vi khuẩn và Cổ khuẩn, hai trong ba vực của sự sống tế bào. Vực thứ ba, Sinh vật nhân chuẩn, xuất hiện sau đó. Sinh vật nhân chuẩn bao gồm chúng ta và tất cả các sinh vật khác (động vật, thực vật, nấm, một số vi sinh vật nhất định) được tạo thành từ các tế bào có cấu tạo bên trong phức tạp. Đó là ba nhánh khổng lồ của cây sinh giới, như được vẽ hiện nay.
Nhưng virut được xếp vào đâu? Có phải chúng là một nhánh chính thứ tư không? Hay chúng là một loại tầm gửi, một loài ký sinh từ nơi nào khác? Hầu hết các phiên bản của cây sinh giới đều loại bỏ hoàn toàn virut.
Nhà thần kinh học Jason Shepherd của Đại học Utah đang cầm tấm ảnh tái hiện không gian ba chiều của một vỏ protein giống virut đóng vai trò thiết yếu trong quá trình nhận thức và trí nhớ. Gen ARC mang mã di truyền tạo ra kỳ quan hình cầu này đã được động vật có xương sống sống trên cạn thu được từ tổ tiên giống virut khoảng 400 triệu năm trước. Vỏ protein này, giống với vỏ capsid bao quanh bộ gen virut, chuyên chở thông tin di truyền giữa các tế bào thần kinh trong bộ não con người cũng như trong bộ não của nhiều loài động vật khác.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH VỎ PROTEIN CHỤP BỞI SIMON ERLENDSSON, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC (TRÁI) VÀ ẢNH CHỤP BỞI ROBERT CLARK (PHẢI)
Một trường phái tư tưởng khẳng định rằng không nên xếp virut vào cây sinh giới vì chúng không phải là sinh vật sống. Đó là một cuộc tranh cãi kéo dài, xoay quanh việc bạn định nghĩa thế nào là “sống”. Hấp dẫn hơn là việc đưa virut vào ngôi nhà lớn mang tên Sự Sống, và sau đó thắc mắc chúng vào đó thế nào.
Có ba giả thuyết hàng đầu giải thích nguồn gốc tiến hoá của virut, được các nhà khoa học gọi là giả thuyết virut đầu tiên, giả thuyết trốn thoát và giả thuyết suy giảm. Giả thuyết virut đầu tiên là khái niệm cho rằng virut tồn tại trước cả tế bào, bằng cách nào đó chúng tự lắp ráp trực tiếp từ nồi súp nguyên thuỷ. Giả thuyết trốn thoát đặt ra rằng các gen hoặc đoạn gen bị rò rỉ từ tế bào, dần được bao bọc bởi lớp vỏ protein, rồi di chuyển vô định, tìm một ngóc ngách mới để ký sinh. Giả thuyết suy giảm suy đoán rằng virut lần đầu xuất hiện khi một số tế bào giảm kích thước dưới áp lực cạnh tranh (sẽ dễ nhân đôi hơn nếu bạn nhỏ và đơn giản), loại bỏ các gen đến khi chúng giảm kích thước tối giản đến mức chỉ còn cách ký sinh vào các tế bào mới có thể tồn tại.
Cũng có một giả thuyết thứ tư, được gọi là giả thuyết chimera, lấy cảm hứng từ một yếu tố di truyền khác là transposon (đôi khi được gọi là gen nhảy). Nhà di truyền học Barbara McClintock đã suy luận ra sự tồn tại của chúng vào năm 1948, một khám phá giúp bà đoạt giải Nobel. Những yếu tố di truyền cơ hội này đạt được thành công theo học thuyết Darwin chỉ đơn giản bằng cách nhảy từ phần này của bộ gen sang phần khác, trong những trường hợp hiếm thì từ một tế bào này sang tế bào khác, thậm chí từ loài này sang loài khác, sử dụng các nguồn lực tế bào để tự nhân bản mình, lặp đi lặp lại. Tự nhân bản bảo vệ transporon khỏi sự tuyệt chủng ngẫu nhiên. Chúng tích luỹ một cách kỳ lạ. Chẳng hạn, chúng cấu thành khoảng một nửa bộ gen loài người. Theo giả thuyết này, những virut cổ sơ ấy có thể đã phát sinh từ những yếu tố di truyền như vậy bằng cách vay mượn protein từ các tế bào để gói bản thân trơ trọi của mình vào lớp vỏ bảo vệ, một chiến lược phức tạp hơn.
Mỗi giả thuyết trên đều có những giá trị riêng. Nhưng năm 2003, bằng chứng mới đã khiến ý kiến của các chuyên gia ngả về hướng giả thuyết suy giảm: virut khổng lồ.
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH PHÔI THAI CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC
ẢNH CHỤP BỞI MARK WOSSIDLO, ĐẠI HỌC STANFORD/ĐẠI HỌC Y VIENNA
Virut khổng lồ được tìm thấy trong trùng amip, thuộc sinh vật nhân thực đơn bào. Những con trùng amip đó được thu thập từ nước trong tháp giải nhiệt ở Bradford, Anh. Bên trong một số con là đốm màu bí ẩn này. Nó đủ to để quan sát qua kính hiển vi quang học (virut được cho là quá nhỏ, chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử), và nó trông như vi khuẩn. Các nhà khoa học đã cố tìm ra các gen vi khuẩn bên trong nó nhưng không tìm được gì.
Cuối cùng, một nhóm nghiên cứu ở Marseille, Pháp đã lây nhiễm virut khổng lổ cho các con trùng amip khác, giải trình tự bộ gen, tìm ra nó là gì, rồi đặt tên là Mimivirus, vì nó bắt chước vi khuẩn, ít nhất là về kích cỡ. Đường kính nó rất lớn, lớn hơn cả những con vi khuẩn nhỏ nhất. Bộ gen cũng lớn so với một con virut, dài gần 1,2 triệu ký tự, so với con số 13.000 của virut cúm, hay thậm chí là con số 194.000 của virut đậu mùa. (DNA, giống như RNA, là một phân tử dài được tạo thành từ bốn loại phân tử bazo khác nhau, được viết tắt bằng ký tự đầu của chúng.) Đó là một virut “bất khả thi”: bản chất là virut nhưng tỷ lệ lại quá lớn, giống như một con bướm rừng Amazon vừa được khám phá có sải cánh dài 1,2 mét.
Jean-Michel Claverie là thành viên cấp cao của nhóm nghiên cứu Marseille. Việc khám phá ra Mimivirus, Claverie nói, “đã sinh ra nhiều rắc rối.” Tại sao? Bởi vì việc giải trình tự bộ gen của nó đã tiết lộ bốn gen hoàn toàn nằm ngoài dự kiến – những gen để mã hoá enzim được cho là chỉ có ở tế bào và chưa bao giờ thấy ở virut. Những enzim đó là một trong những thành phần dịch mã di truyền để lắp ráp các amino axit thành protein.
“Vậy nên câu hỏi ở đây là,” Claverie nói, “virut cần quái gì” những enzim sang chảnh đó, vốn thường hoạt động trong các tế bào, “khi nó đã có tế bào để làm gì tuỳ ý mà, đúng không?”
Thật vậy. Suy luận hợp lý là Mimivirus giữ chúng làm enzim lưu nhiệm vì dòng dõi của nó có nguồn gốc từ sự suy giảm bộ gen của tế bào.
Mimivirus không hề ăn may. Những virut khổng lồ tương tự cũng đã sớm được tìm thấy ở biển Sargasso, và cái tên đầu tiên đã trở thành tên chi, Mimivirus, gồm một số loài virut khổng lồ. Sau đó nhóm nghiên cứu Marseille đã khám phá thêm hai loài virut khổng lồ khác, cả hai loài đều ký sinh trong trùng amip, một loài từ trầm tích biển nông ngoài khơi bờ biển Chile, loài kia từ ao hồ ở Australia. Lớn gấp hai lần Mimivirus, thậm chí còn bất thường hơn, những loài virut này được xếp vào một chi riêng biệt mà Claverie và các đồng nghiệp của ông đặt tên là Pandoravirus, gợi liên tưởng đến chiếc hộp Pandora, khi họ giải thích năm 2013, bởi vì “những bất ngờ được mong đợi từ nghiên cứu sâu hơn của họ.”
ẢNH CHỤP BỞI CRAIG CUTLER. ẢNH BÀO THAI CHỤP BỞI LENNART NILSSON, TT/THƯ VIỆN ẢNH KHOA HỌC (BÀO THAI 16 TUẦN TUỔI). NGƯỜI MẪU: MELODY CARBALLO, ĐANG MANG THAI 35 TUẦN TUỔI
Đồng tác giả liên lạc của Claverie trong bài báo đó là Chantal Abergel, một nhà virut học và sinh học cấu trúc (và cũng là vợ ông). Trong số các Pandoravirus, Abergel nói với tôi, cười mệt mỏi: “Chúng rất khó chịu. Những đứa con này của tôi.” Cô giải thích, thật khó lòng để biết chúng là gì, những sinh vật này quá khác biệt so với tế bào, quá khác biệt so với virut cổ điển, và mang nhiều gen không hề giống những gì từng được quan sát. “Tất cả những điều đó khiến chúng vừa hấp dẫn vừa bí ẩn.” Đã có thời cô từng gọi chúng là DSM: dạng sống mới. Nhưng khi quan sát thấy chúng không nhân đôi bằng cách phân bào, cô và các đồng nghiệp nhận ra chúng chính là virut – những con virut lớn nhất và phức tạp nhất từ trước tới giờ.
Những phát hiện này khiến nhóm nghiên cứu Marseille phỏng đoán về một giả thuyết suy giảm phái sinh táo bạo. Có lẽ virut đúng là có nguồn gốc từ việc suy giảm từ các tế bào cổ đại, nhưng tế bào loại này đã không còn hiện diện trên Trái Đất nữa. Loại “tế bào nguyên mẫu tổ tiên” đó có thể không giống và đã từng cạnh tranh với tổ tiên chung của tất cả tế bào được biết ngày nay. Có lẽ các tế bào nguyên mẫu đã thua trong cuộc chiến đó và bị loại bỏ khỏi mọi môi sinh sẵn có cho các sinh vật sống tự do. Chúng có thể đã tồn tại ký sinh trong các tế bào khác, giảm kích thước bộ gen, và trở thành virut như cách chúng ta gọi. Từ vương quốc tế bào đã biến mất đó, có lẽ chỉ mỗi virut là còn sống, giống như những tảng đá khổng lồ trên Đảo Phục Sinh.
Khám phá ra virut khổng lồ đã truyền cảm hứng cho cả những nhà khoa học khác, tiêu biểu là Patrick Forterre tại Viện Pasteur ở Paris, để hình thành nên những ý tưởng mới lạ về câu hỏi virut là gì và vai trò kiến tạo của chúng, cũng như vai trò kế tiếp của chúng là gì trong quá trình tiến hoá và các chức năng của sự sống tế bào.
Định nghĩa trước đây của “virut” chưa đầy đủ, Forterre đề xuất, vì các nhà khoa học đang nhầm lẫn giữa các hạt virut, những mảnh bộ gen có vỏ capsid, được gọi đúng là virion, với tính tổng thể của virut. Sai sót này giống như nhầm lẫn hạt giống với thực vật, hay bào tử với nấm. Virion chỉ là cơ chế phân tán. Tính toàn vẹn thực chất của virut còn gồm cả sự hiện diện của nó bên trong tế bào, khi nó đã chiếm giữ bộ máy tế bào để tái tạo nhiều virion hơn, nhiều hạt giống của chính mình hơn. Quan sát hai giai đoạn cùng nhau để thấy rằng tế bào đã thực sự trở thành một phần trong chu kỳ sống của virut.
Forterre củng cố khái niệm đó bằng cách tạo ra một cái tên mới cho thực thể kết hợp này: siêu vi bào (virocell). Ý tưởng này cũng vượt qua được câu hỏi hóc búa sống hay không sống. Virut sống khi nó là siêu vi bào, theo nhận định của Forterre, đừng bận tâm virion vô sinh của nó.
“Ý tưởng đằng sau khái niệm siêu vi bào,” ông nói với tôi qua Skype từ Paris, “chủ yếu tập trung vào giai đoạn nội bào này.” Đó là giai đoạn nhạy cảm khi tế bào bị nhiễm, như một thây ma, đang tuân theo mệnh lệnh của virut, đọc bộ gen virut và tái tạo nó, nhưng đôi khi có bỏ qua, trì trệ và lỗi sai. Trong quá trình đó, “các gen mới có thể có nguồn gốc từ bộ gen của virut. Và với tôi, đây mới là điểm chính.” Virut mang lại sự cải tiến, nhưng tế bào cũng phản ứng lại bằng những cải tiến phòng vệ của chính mình, như thành tế bào hoặc nhân tế nào, và vì thế đó là một cuộc “chạy đua vũ trang” hướng đến tính phức tạp lớn hơn. Nhiều nhà khoa học giả định rằng virut đạt được những thay đổi tiến hoá lớn bằng hình mẫu “virut móc túi”, đánh cắp DNA từ các sinh vật bị lây nhiễm, rồi sau đó đặt các mảnh đã đánh cắp vào bộ gen để sử dụng. Forterre lập luận rằng việc “ăn cắp vặt” có thể thường xuyên đi theo hướng khác hơn, các tế bào lấy gen từ virut.
ẢNH CHỤP BỞI MARKUS BACHMANN
Một quan điểm còn sâu rộng hơn của Forterre, Claverie và một số nhà khoa học khác trong lĩnh vực này, kể cả Gustavo Caetano-Anollés tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, cho rằng virut là nguồn gốc ưu việt của tính đa dạng di truyền. Theo cách nghĩ này, virut đã làm phong phú các lựa chọn tiến hoá của sinh vật tế bào trong vài tỷ năm qua bằng cách gửi vật liệu di truyền mới vào bộ gen của chúng. Quá trình kỳ lạ này là một phiên bản của hiện tượng chuyển hoá gen theo chiều ngang, các gen toả ra hai phía, băng qua ranh giới giữa các giống loài. (Chuyển hoá gen theo chiều dọc là một dạng thức di truyền quen thuộc hơn: từ cha mẹ sang con cái.) Dòng gen của virut chảy vào bộ gen tế bào đã “quá tải,” Forterre và một cộng sự lập luận, và có thể giúp giải thích một số quá trình chuyển dịch tiến hoá lớn, như nguồn gốc của DNA, nguồn gốc của nhân tế bào trong các sinh vật phức tạp, nguồn gốc của thành tế bào, và có lẽ còn là sự tách ra của ba nhánh lớn đó trên cây sinh giới.
Ngày trước, lúc COVID-19 chưa xuất hiện, thỉnh thoảng những cuộc thảo luận sôi nổi kéo dài của các nhà khoa học diễn ra trực tiếp, không phải qua Skype. Ba năm trước, tôi đã bay từ Montana đến Paris vì muốn đàm đạo với Thierry Heidmann về virus và gen syncytin-2. Ông và nhóm của mình đã khám phá ra nó bằng cách kiểm tra bộ gen con người, tất cả 3,1 tỷ ký tự mã, để tìm ra các đoạn DNA trông giống như loại gen mà virut sẽ dùng để tạo ra lớp màng của nó. Họ đã tìm thấy khoảng 20 đoạn gen.
“Ít nhất có hai đoạn gen được chứng minh là rất quan trọng,” Heidmann nói. Chúng quan trọng vì có khả năng thực hiện chức năng chủ yếu đối với quá trình mang thai của loài người. Hai đoạn gen đó là syncytin-1, được khám phá lần đầu bởi các nhà khoa học khác, và syncytin-2, do ông và nhóm của mình tìm ra. Các gen này đã trở thành một phần của bộ gen loài người như thế nào, và chúng dần trở nên thích nghi với mục đích gì, là những khía cạnh của một câu chuyện đáng lưu ý bắt đầu từ khái niệm virut sao ngược (retrovirut) nội sinh ở người.
Virut sao ngược là virut có bộ gen RNA phiên mã ngược so với hướng thông thường (nên gọi là “retro”). Thay vì sử dụng DNA để tạo RNA, sau đó phục vụ như một người truyền tin được gửi đến máy in 3D để tạo ra protein, những virut này lại sử dụng RNA của nó để tạo DNA và sau đó hợp nhất DNA ấy với bộ gen của tế bào bị nhiễm. Ví dụ, HIV là một virut sao ngược lây nhiễm sang các tế bào miễn dịch của con người, chèn bộ gen của nó vào bộ gen của tế bào. Tại đó, nó nằm im chờ thời. Đến một thời điểm nào đó, DNA của virut được kích hoạt, trở thành khuôn mẫu để sản sinh nhiều virion HIV hơn, giết chết tế bào khi chúng bùng phát ra ngoài.
Các nhà khoa học vẫn đang cố truy tìm nguồn gốc của virut corona SAR-CoV-2. Dơi móng ngựa cỡ đại và tê tê Trung Quốc được coi là vật chủ khả dĩ. Virut được tìm thấy trong hai loài này có liên quan đến virut gây ra đại dịch. Phó giáo sư khoa sinh học Maciej Boni của Đại học bang Pennsylvania cùng một nhóm nghiên cứu quốc tế đã theo dấu virut trở về khoảng một trăm năm trước, khi virut corona ở tê tê tách ra khỏi virut ở dơi. SARS-CoV-2 có thể đã tiến hoá từ những virut có liên quan mật thiết nhất với virut của dơi khoảng 40 đến 70 năm trước. “Rất ít thông tin về tính đa dạng của những virut này,” Boni nói, và cho biết thêm rằng hàng chục ngàn bộ gen của virut cúm gia cầm đã được xác định, nhưng với virut corona con số này chưa đến một trăm. “Về nguyên tắc, có thể tồn tại những virut lây lan trong loài dơi có họ hàng gần với SARS-CoV-2 hoặc rất giống với SARS-CoV-2, nhưng chúng tôi chưa thực hiện đủ các nghiên cứu trên dơi; chúng tôi chưa thu thập đủ virut trong dơi và chúng tôi chưa biết.” Con dơi này (Rhinolophus ferrumequinum) được bắt trong vùng Tashkent của Uzbekistan năm 1921; còn con tê tê này (Manis pentadactyla) đến từ tỉnh Quý Châu, Trung Quốc năm 1945.
ẢNH DO CRAIG CUTLER CHỤP TẠI VIỆN BẢO TÀNG LỊCH SỬ TỰ NHIÊN HẠT LOS ANGELES
Bước ngoặt lớn là đây: Một số virut sao ngược lây nhiễm vào tế bào sinh sản – tế bào sản sinh ra trứng và t.inh tr.ùng – và bằng cách đó, chúng chèn DNA của mình vào bộ gen có khả năng di truyền của vật chủ. Những đoạn gen được chèn đó là virut sao ngược “nội sinh” (bên trong), và khi hợp nhất với bộ gen con người, chúng được gọi là virut sao ngược nội sinh của loài người (HERVs). Nếu bạn quên hết bài viết này, bạn có thể nên nhớ rằng 8% bộ gen loài người chứa DNA của virut như vậy, được ráp vào giống loài của chúng ta bởi virut sao ngược trong suốt quá trình tiến hoá. Mỗi người chúng ta có 1/12 HERV. Gen syncytin-2 nằm trong số những đoạn ráp quan trọng đó.
Tôi ngồi trong văn phòng của Heidmann suốt 4 tiếng để nghe ông giải thích, với một chiếc laptop trên khuỷu tay đưa ra các đồ thị và biểu đồ, nguồn gốc và chức năng của đoạn gen đặc biệt này. Bản chất của nó rất đơn giản. Một đoạn gen ban đầu giúp virut dung hợp với tế bào vật chủ đã thâm nhập vào bộ gen động vật cổ đại. Sau đó được tái thích nghi để tạo ra protein tương tự giúp hợp nhất các tế bào, tạo nên cấu trúc đặc biệt xung quanh. Cấu trúc đó là nhau thai, mở ra khả năng mới ở một số loài động vật: mang thai bên trong. Cải tiến đó có hệ quả rất lớn trong lịch sử tiến hoá, giúp con cái có khả năng mang đứa con đang lớn của mình đi loanh quanh ngay bên trong cơ thể, thay vì để chúng dễ bị đe doạ ở một nơi, như trứng trong tổ.
Gen đầu tiên thuộc loại này đến từ một virut sao ngược nội sinh được thay thế bằng những gen khác tương tự nhưng có vai trò phù hợp hơn. Theo thời gian, thiết kế của chế độ sinh sản mới đó cải thiện và nhau thai tiến hoá. Trong số những gen tiếp nhận từ virut có syncytin-2, một trong hai gen syncytin của loài người giúp hợp nhất các tế bào để tạo thành lớp màng nhau ngay cạnh tử cung. Cấu trúc độc đáo đó, trung gian giữa người mẹ và bào thai, cho phép chất dinh dưỡng và khí oxi đi vào, mang chất thải và khí cacbon dioxit ra ngoài, và có thể bảo vệ bào thai khỏi bị tấn công bởi hệ miễn dịch của người mẹ. Đó gần như là một phép màu của thiết kế hiệu quả. Trong đó, quá trình tiến hoá đã chuyển một thành phần của virut thành của con người.
Heidmann và tôi nghỉ để ăn trưa rồi sau đó tiếp tục thêm hai giờ đồng hồ nữa. Cuối cùng, não tôi ong ong, tập ghi chú đã kín chữ, tôi hỏi ông: Tất cả những điều đó cho biết gì về cách thức quá trình tiến hoá đã diễn ra? Ông cười lớn thích thú khiến tôi cười theo, vì quá đỗi ngạc nhiên và mệt nhọc.
“Gen của chúng ta không hoàn toàn là của chúng ta,” ông nói. “Những gen đó cũng là của virut sao ngược.”
Không gian làm việc bên trong một chiếc kính hiển vi điện tử dẫn truyền đông lạnh cho thấy công nghệ phức tạp của nó. Công cụ này có thể tạo ra hình ảnh virut nhỏ đến cấp độ nguyên tử trong không gian ba chiều, tiết lộ cấu trúc gai quen thuộc của SARS-CoV-2. Màn hình được sử dụng cùng với kính hiển vi đang hiển thị thiết diện của virut và mô hình điện toán ba chiều.
ẢNH CHỤP BỞI LEO HILLIER, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC
ẢNH TRÊN MÀN HÌNH CHỤP BỞI ZUNLONG KE, LESLEY MCKEANE, VÀ JOHN BRIGGS, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ MRC
Đóng góp của virut sao ngược trong gen syncytin-2 chỉ là một ví dụ rất nhỏ. Một đóng góp khác là gen ARC, được biểu hiện để phản ứng với hoạt động của tế bào thần kinh ở động vật hữu nhũ và ruồi. Nó gần giống với gen của virut sao ngược mã hoá cho vỏ capsid protein. Các nghiên cứu gần đây, kể cả của nhóm Jason Shepherd tại Đại học Utah, phỏng đoán rằng ARC đóng vai trò then chốt trong lưu trữ thông tin nội mạng thần kinh. Hay còn gọi là: ký ức. Có vẻ như ARC đóng gói thông tin thu được từ trải nghiệm (dưới dạng RNA) thành các túi protein nhỏ mang thông tin từ tế bào thần kinh này đến tế bào thần kinh khác.
Tại Khoa Y Đại học Stanford, Joanna Wysocka cùng với nhóm của mình đã tìm ra bằng chứng cho thấy các mảnh virut được tạo ra bằng virut sao ngược nội sinh của loài người, HERV-K, đã hiện hữu bên trong phôi thai loài người vào giai đoạn sớm nhất và có thể đóng một số vai trò tích cực trong việc bảo vệ phôi thai khỏi bị lây nhiễm virut, hoặc giúp kiểm soát quá trình phát triển bào thai, hoặc cả hai. Hơn nữa, nhóm của cô đã tập trung vào một transposon đặc biệt dường như đã tham gia vào bộ gen của loài người làm phần mở đầu của HERV-K, sau đó tìm cách tự sao chép và nhảy đến các phần khác của bộ gen, nên giờ đây nó đã có mặt trong 697 bản sao rải rác. Các bản sao đó dường như giúp kích hoạt tầm 300 gen của loài người.
Wysocka chia sẻ, “Với tôi, điều đáng kinh ngạc là các gen HERV chiếm khoảng 8% bộ gen loài người,” một tỷ lệ mà sự tồn tại chúng ta về cơ bản là “bãi tha ma của những lần lây nhiễm virut sao ngược trước đây.” Sự việc còn đáng kinh ngạc hơn khi suy ngẫm về cách thức “lịch sử lây nhiễm virut sao ngược trong quá khứ của chúng ta vẫn đang tiếp tục định hình quá trình tiến hoá cấp độ loài.”
Nếu 8% bộ gen của bạn và tôi là DNA cùa virut sao ngược, và một nửa là các tranposon, thế thì có lẽ chính khái niệm về tính cá nhân của loài người (chứ đừng nói đến tính thượng đẳng) không hề vững chắc như chúng ta hằng tin.
Hẳn nhiên, khuyết điểm của tính nhanh nhẹn trong tiến hoá ấy là virut đôi lúc có thể đổi vật chủ, di chuyển lung tung từ loài này sang loài khác và trở thành mầm bệnh trong vật chủ mới xa lạ. Đó gọi là sự lây lan, và đó là cách phần lớn các bệnh truyền nhiễm mới ở loài người xuất hiện – bằng những virut có được từ vật chủ khác ngoài con người.
ẢNH SAR-COV-2 CHỤP BỞI BEATA TUROŇOVÁ VÀ MARTIN BECK, PHÒNG THÍ NGHIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ CHÂU ÂU
HÌNH ẢNH MÔ HÌNH PHÂN TỪ ĐƯỢC CHỤP BỞI MATEUSZ SIKORA, VIỆN SINH LÝ HỌC MAX PLANCK
Trong vật chủ gốc, còn được khoa học gọi là vật chủ tích trữ, virut có thể tồn tại thầm lặng ở số lượng ít và tác động ít suốt hàng ngàn năm. Nó có thể đạt tới sự thích nghi tiến hoá với vật chủ tích trữ, chấp nhận trạng thái an toàn đổi lại không gây rắc rối. Nhưng trong vật chủ mới, như con người, thoả thuận cũ không nhất thiết phải giữ nữa. Virut có thể bùng nổ về số lượng, gây ra khó chịu hoặc khốn khổ trong nạn nhân đầu tiên. Nếu virut không chỉ tái tạo mà còn lây lan từ người sang người, giữa một tá các cá thể khác, thì đó gọi là bùng phát. Nếu nó quét qua một cộng đồng hoặc một quốc gia, thì gọi là dịch bệnh. Nếu nó bao trùm toàn thế giới, thì đó là đại dịch. Vậy nên giờ chúng ta trở lại với SARS-CoV-2.
Một số chủng virut có khả năng gây ra đại dịch cao hơn các chủng khác. Đứng đầu danh sách các ứng cử viên đáng lo ngại nhất là virut corona bởi bản chất của bộ gen, khả năng thay đổi và tiến hoá của chúng, cũng như tiền sử gây bệnh nghiêm trọng ở người. Nhóm đó bao gồm cả virut SARS (hội chứng hô hấp cấp tính nghiêm trọng) năm 2002-2003 và MERS (hội chứng hô hấp Trung Đông) năm 2012-2015. Vì vậy khi cụm từ “virut corona chủng mới” bắt đầu được sử dụng để miêu tả virut mới gây ra những cụm bệnh ở Vũ Hán, Trung Quốc, hai từ đó thôi đã đủ khiến các nhà khoa học dịch tễ trên khắp thế giới phải rùng mình.
Virut corona thuộc nhóm virut RNA sợi đơn nổi tiếng nguy hiểm, bao gồm virut cúm, virut Ebola, virut bệnh dại, virut sởi, virut Nepah, virut hanta và virut sao ngược. Chúng nổi tiếng nguy hiểm một phần vì bộ gen RNA sợi đơn thường xuyên đột biến khi virut tái tạo, và những đột biến như vậy cung cấp nhiều biến dị di truyền ngẫu nhiên mà theo đó chọn lọc tự nhiên có thể hoạt động.
Tuy vậy, virut corona lại tiến hoá tương đối chậm so với các virut RNA khác. Chúng mang bộ gen khá dài, bộ gen của SARS-CoV-2 dài đến khoảng 30.000 ký tự, nhưng bộ gen của chúng thay đổi chậm hơn các virut khác vì chúng có enzim đọc sửa để sửa lỗi các đột biến. Nhưng chúng cũng có khả năng thực hiện thủ thuật tái tổ hợp. Theo đó, hai sợi của virut corona lây nhiễm vào cùng một tế bào sẽ hoán đổi các phần bộ gen của mình và tạo ra một chuỗi lai virut corona thứ ba. Có thể đó là cách virut corona tạo ra chủng mới SARS-CoV-2.
Virut tổ tiên của nó có thể cư trú trong loài dơi, như dơi móng ngựa, thuộc chi ăn côn trùng có thân nhỏ, mũi hình móng ngựa, thường mang virut corona. Nếu quá trình tái tổ hợp đã thực sự xảy ra, cùng với một số yếu tố mới quan trọng từ một chủng virut corona khác, thì nó có thể đã diễn ra bên trong loài dơi hoặc một loài động vật khác. (Tê tê cũng được đề xuất; các loài khác cũng là những ứng cử viên.) Các nhà khoa học đang khám phá những khả năng đó bằng cách giải trình tự và đối chiếu bộ gen của những virut được tìm thấy trong nhiều vật chủ tiềm năng. Đến hiện tại, chúng ta chỉ biết rằng SARS-CoV-2 ngày nay tồn tại được trong con người là một loài virut xảo quyệt có khả năng tiến hoá xa hơn nữa.
Vậy nên virut cho đi nhiều và cũng lấy lại nhiều. Đến cuối cùng, có lẽ lý do khó xếp chúng vào cây sinh giới là bởi vì lịch sử của sự sống không hẳn có hình dáng của một cái cây. Phép so sánh với cây cối chỉ là cách minh hoạ cho quá trình tiến hoá truyền thống của chúng ta, do Charles Darwin chuẩn hoá. Nhưng Darwin, dù có vĩ đại đến mấy, cũng không hề biết gì về chuyển hoá gen theo chiều ngang. Trên thực tế, ông không biết gì về gen. Ông không biết gì về virut. Giờ đây chúng ta thấy rằng mọi thứ rất phức tạp. Ngay cả virut, chủng loài thoạt nhìn dường như rất đơn giản, cũng thật phức tạp. Nếu tính phức tạp của virut cho chúng ta cái nhìn rõ hơn về sự gắn bó rối rắm của thế giới tự nhiên, và nếu việc chiêm nghiệm những cấu thành từ virut trong chính chúng ta làm mất đi tính riêng siêu thường của mình, thôi thì tôi sẽ để lại cho bạn phân trần xem đó là lợi ích hay tác hại.
16 quyển sách của David Quammen kể cả “Sự lây lan: Lây nhiễm ở động vật và đại dịch tiếp theo của loài người”, đã dự báo trước COVID-19. Craig Cutler là một nghệ sĩ và một nhiếp ảnh gia chuyên chụp ảnh tĩnh vật và chân dung môi trường, đã cố kể lại câu chuyện trong từng bức ảnh.
Ghi chú của biên tập viên: Bức ảnh bào thai đầu bài và bào thai được chiếu phía sau người mẫu Melody Carballo, cũng như phôi thai được chiếu phía sau Joanna Wysocka, được chụp bởi nhiếp ảnh gia Lennart Nilsson (1922-2017). Tác phẩm đột phá của ông ghi lại sự sống trước lúc sinh ra lần đầu được giới thiệu trên tạp chí Life năm 1965 và vẫn chưa có tác phẩm nào có thể vượt qua được.
Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo National Geographic)
(Theo National Geographic)
