Phần lớn sự sống trên Trái Đất ở trạng thái ngủ khi kích hoạt ‘phanh khẩn cấp’

• Nhiều vi sinh vật và tế bào khi môi trường trở nên xấu đi sẽ ngừng tăng trưởng và đi vào trạng thái ngủ, theo một số ước tính thì 60% tế bào vi sinh vật trên Trái Đất ở bất kỳ thời điểm nào cũng đang ngủ
• Protein mới Balon có thể lập tức dừng ribosome, bộ máy sản xuất protein của vi khuẩn, và gene liên quan đã được tìm thấy trong 20% hệ gene vi khuẩn đã được đăng ký
• Các yếu tố ngủ đông trước đây hoạt động bằng cách chặn lần tổng hợp protein tiếp theo sau khi một quá trình tổng hợp kết thúc, nhưng Balon có thể chen vào cả ribosome đang hoạt động và dừng dịch mã như một phanh khẩn cấp
• Balon gắn gần A site của ribosome và có thể nhanh chóng đi vào rồi rút ra, giúp tế bào dễ ngủ trong tình huống stress rồi tái kích hoạt khi điều kiện trở nên thuận lợi
• Trạng thái ngủ không chỉ có ở vi khuẩn mà còn là chiến lược sinh tồn được dùng rộng khắp trong thế giới sự sống, như ở trứng, tế bào gốc, tế bào miễn dịch, tế bào gan, ngủ đông của gấu, lysogeny của virus, v.v.

---

Balon dừng thứ gì: ribosome và việc sử dụng năng lượng

• Khi tế bào cảm nhận điều kiện bất lợi như đói hoặc lạnh, chúng tạo ra các protein yếu tố ngủ đông để hạ thấp chuyển hóa
• Các yếu tố ngủ đông có thể tháo rời bộ máy tế bào hoặc chặn biểu hiện gene, trong đó nhóm dừng ribosome — bộ máy tạo protein mới — đặc biệt quan trọng
• Ở tế bào vi khuẩn đang tăng trưởng, việc sản xuất protein chiếm hơn 50% mức tiêu thụ năng lượng
• Khi ribosome dừng lại, quá trình tổng hợp protein mới giảm xuống, giúp tiết kiệm năng lượng cần cho sự sống còn cơ bản

Phát hiện Balon và cơ chế hoạt động

• Balon được phát hiện ở Psychrobacter urativorans, một vi khuẩn thích nghi với lạnh lấy từ lớp băng vĩnh cửu Bắc Cực
• Trong lúc thí nghiệm, dịch nuôi cấy đã bị để quá lâu trong thùng đá, khiến vi khuẩn chịu sốc lạnh và đi vào trạng thái ngủ
• Nhóm nghiên cứu trích xuất ribosome từ vi khuẩn đang ngủ và quan sát bằng cryo-EM, xác nhận có một protein mắc vào A site của ribosome
• Protein này chưa từng được mô tả trước đó, và vì nó giống Pelota — protein tham gia phân giải và tái chế các thành phần ribosome — nên được đặt tên là Balon, một từ tiếng Tây Ban Nha khác cũng có nghĩa là quả bóng
• Nghiên cứu công bố trên Nature xác nhận Balon hoạt động theo cách khác với các yếu tố ngủ đông của ribosome đã biết trước đây

“Phanh khẩn cấp” khác với các yếu tố ngủ đông trước đó

• Các yếu tố ngủ đông gây gián đoạn ribosome đã biết trước đây hoạt động tương đối thụ động
  • Chờ cho đến khi ribosome hoàn tất việc tạo ra một protein
  • Sau đó ngăn ribosome bắt đầu tổng hợp protein mới
• Balon có thể đi vào ribosome trong tế bào, bao gồm cả những ribosome đang hoạt động, và dừng hoạt động của chúng
• Các yếu tố ngủ đông trước đây chỉ có thể gắn sau khi quá trình tổng hợp protein đang diễn ra kết thúc, vì chúng chặn vật lý A site của ribosome
• Balon không chắn kín hoàn toàn lối đi mà gắn ở gần đó, nên có thể chèn vào và rút ra bất kể ribosome đang làm gì
• Nhờ đặc tính này, nó có thể làm ngừng tăng trưởng tế bào rồi nhanh chóng rút khỏi đó như băng cassette

Balon không phải ngoại lệ hiếm mà là một protein phổ biến

• Khi tìm các trình tự gene của Balon, nhóm nghiên cứu phát hiện trình tự liên quan trong 20% hệ gene vi khuẩn được đăng ký trong cơ sở dữ liệu công khai
• Họ cũng phân tích hai protein vi khuẩn thay thế trong số đó
  • Protein của Mycobacterium tuberculosis, tác nhân gây bệnh lao ở người
  • Protein của Thermus thermophilus, loài sống ở các miệng phun thủy nhiệt siêu nóng dưới đáy biển
• Cả hai protein cũng gắn vào A site của ribosome, cho thấy một số protein họ hàng của Balon có thể hoạt động tương tự ở các loài vi khuẩn khác
• Balon không có ở Escherichia coli và Staphylococcus aureus, hai loài thường được dùng trong nghiên cứu trạng thái ngủ của tế bào
• Việc chỉ tập trung vào các sinh vật mô hình thí nghiệm hạn chế có thể khiến người ta bỏ lỡ những chiến thuật ngủ đông rất phổ biến

Trạng thái ngủ trong toàn bộ thế giới sự sống

• Phần lớn sự sống trên Trái Đất có khả năng ngừng hoặc hạ thấp chuyển hóa khi cần, thay vì liên tục duy trì hoạt động tăng trưởng
• Vi khuẩn mô hình trong phòng thí nghiệm E. coli có năm cơ chế ngủ riêng biệt, và từng cơ chế riêng lẻ cũng đủ để giúp nó sống sót trong khủng hoảng
• Trạng thái ngủ không chỉ là hiện tượng cần thiết trong tình trạng đói
  • Trứng người ở trạng thái ngủ suốt hàng chục năm cho đến khi được thụ tinh
  • Tế bào gốc người sau khi sinh ra trong tủy xương vẫn ở trạng thái dừng và chờ tín hiệu từ cơ thể
  • Fibroblast trong mô thần kinh, lymphocyte của hệ miễn dịch và hepatocyte của gan cũng đi vào trạng thái bất hoạt, không phân chia rồi lại tái kích hoạt
• Hibernation của gấu, lysogeny của herpes virus, dauer stage của giun, diapause của côn trùng, aestivation của động vật lưỡng cư và torpor của chim cũng đều là những trạng thái ngủ có thể đảo ngược khi điều kiện thuận lợi trở lại

Trạng thái ngủ ngẫu nhiên và sự sống sót của cả quần thể

• Một số tế bào đi vào trạng thái ngủ sau khi cảm nhận thay đổi môi trường, nhưng nhiều vi khuẩn cũng dùng chiến lược xác suất
• Trong môi trường biến đổi ngẫu nhiên, nếu không có tế bào nào đi vào trạng thái ngủ, cả quần thể có thể bị xóa sổ bởi một thảm họa bất ngờ
• Ngay cả trong các quần thể E. coli khỏe mạnh nhất và tăng trưởng nhanh nhất, vẫn có 5–10% tế bào ở trạng thái ngủ
• Những tế bào ngủ này đóng vai trò người sống sót được chỉ định, sống sót khi các tế bào hoạt động mạnh hơn nhưng dễ tổn thương hơn bị thiệt hại
• Các cơ chế ngủ như Balon giúp kết nối việc nghiên cứu với câu hỏi loài nào có thể duy trì ổn định hoặc phục hồi trong bối cảnh biến đổi khí hậu

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Thích câu chuyện Karla Helena-Bueno quên đám vi khuẩn Bắc Cực trên băng quá lâu và rồi phát hiện ra một yếu tố ngủ đông chung
  Nó thể hiện đúng một khuôn mẫu kỳ diệu thường đi kèm đổi mới và khám phá: tai nạn tình cờ. Điều đó rất con người nên mới mẻ, và tôi không nghĩ đây là kiểu khám phá mà machine learning sẽ hoàn toàn lấy mất

  • Tôi nhớ đến câu nói rằng trong khoa học, câu nói thú vị nhất báo hiệu một phát hiện mới không phải là “Eureka!” mà là “Lạ nhỉ…”
    Thường được cho là của Isaac Asimov
  • Tôi ủng hộ quy trình tình cờ phát hiện rồi hợp lý hóa quá khứ thành câu chuyện về năng lực, sau đó gom hết tiền tài trợ nghiên cứu
  • AI sẽ không quên vi khuẩn trong băng, nhưng nó có thể tìm mẫu tốt như chúng ta và ở quy mô lớn hơn nhiều
    Nó cũng có thể tìm ra cơ chế ngủ đông từ một góc độ khác, không phải do tai nạn. Nếu AGI thành hiện thực, sau khi được nạp đủ dữ liệu, có khi nó sẽ nói theo một cách kỳ lạ rằng “cái này thú vị đấy”. Tôi thích tiểu thuyết Colossus, vốn đã mô tả khá thực tế cách AGI sơ khai có thể hành xử từ gần 60 năm trước: https://en.wikipedia.org/wiki/Colossus_(novel)
  • Machine learning rất có khả năng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiều phát hiện kiểu này hơn rất nhiều
    Hạn chế hiện nay nằm ở năng lực tìm kiếm các mẫu đó ở quy mô lớn nhiều hơn là ở tri thức để nhận ra một mẫu thú vị
  • Tôi đang đọc “The Making of the Atomic Bomb”, và thực ra nó gần như là một cuốn sách về quá trình khám phá vật lý hạt nhân
    Và phần lớn các phát hiện đều diễn ra tình cờ

• Tôi nhớ đến việc con người trước đây cũng từng có thể ngủ đông (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1117993/) và (https://www.popularmechanics.com/science/a35033907/early-hum...)

  • Lướt qua thì có vẻ đây giống một giả thuyết hơn là sự thật đã được xác nhận
    Đại ý là “họ quyết định ngủ qua giai đoạn tệ nhất trong năm trong những hang động tương đối an toàn, và để làm vậy họ từ bỏ dinh dưỡng cũng như vitamin D từ ánh nắng”. Dù ở ngoài trời hay trong hang vào mùa đông phương bắc thì mức vitamin D cũng không khác biệt lớn, và do góc mặt trời thấp nên cơ thể vốn đã khó tạo vitamin D. Chẳng hạn người Inuit có thể lấy vitamin D mà không cần ánh nắng. Việc thiếu dinh dưỡng vào mùa đông cũng có thể chỉ có nghĩa là trước khi công nghệ dự trữ và bảo quản phát triển, đơn giản là mùa đông không có nhiều thứ để ăn
  • Bài BMJ năm 1900 đầu tiên đọc hơi giống Gulliver du ký
    Bài thứ hai nói về tổ tiên loài người 400.000 năm trước, nên là chuyện khá xa xưa
  • Nghĩ đến serotonin cao, tiếp xúc với lạnh và ít ánh nắng thì ngủ đông nghe có vẻ khả thi
    Nhưng tôi tự hỏi mục đích là gì. Có lẽ nó rất có thể dẫn đến rút ngắn tuổi thọ và tăng nguy cơ ung thư

• Câu “thay vì than phiền về những gì ta bỏ lỡ khi ngủ, ta có thể trải nghiệm giấc ngủ như một quá trình kết nối chúng ta với mọi sự sống trên Trái Đất, thậm chí cả những vi sinh vật ngủ sâu trong tầng băng vĩnh cửu Bắc Cực” khá thú vị, nhưng việc các vi sinh vật sâu trong tầng băng vĩnh cửu Bắc Cực đang ngủ còn khiến tôi yên tâm hơn
  Tôi không muốn nghĩ đến chuyện gì sẽ xảy ra nếu chúng thức dậy

  • Vì sao con người và các loài khác ngủ? Có lẽ chỉ đơn giản là vì có thể ngủ
    Nếu không có lý do tốt để thức, thì ngủ và tiết kiệm năng lượng cho lúc tốt hơn để thức. Tuy vậy, cách giải thích này không trả lời được vì sao ta mơ
  • Nếu thức dậy, chúng có thể bắt đầu thải ra lượng CO2 và methane khổng lồ
  • Tôi nghĩ vi sinh vật và virus đã thận trọng tiến hóa qua vô số lần tiếp xúc với các loại kháng sinh và nhiều chất mà chúng ta hiện có cũng có thể ở mức nguy hiểm tương tự hoặc lớn hơn

• Thứ có thể nằm mãi mãi không phải đã chết, và trong những vĩnh hằng kỳ dị, ngay cả cái chết cũng có thể chết

• Chà, cái này giống một cơ chế đánh giá lười (lazy evaluation) do tự nhiên tạo ra

• Có vẻ hầu như không ai nói đến khả năng trị liệu
  Sẽ rất tốt nếu có thể đưa nhiễm khuẩn vào trạng thái ngủ đông. Khối u cũng vậy

  • Khối u có thể khó. Theo tôi biết, tế bào ung thư theo định nghĩa là những tế bào không hoạt động bình thường

• Tôi hình dung cảnh người già đóng băng cơ thể và gây trạng thái ngủ đông, rồi tỉnh dậy khi thế giới đã tốt đẹp hơn
  Nếu có công ty như vậy, tôi muốn đầu tư

  • Điều thực sự khó là trở thành kiểu người mà các thế hệ tương lai thấy đáng để rã đông
  • Thật ra chuyện này đã diễn ra hơn 50 năm rồi[0]
    0. https://en.wikipedia.org/wiki/Alcor_Life_Extension_Foundatio...
  • Nếu quá nhiều người chưa hẳn đã già dùng nó thì kết quả có thể không hay lắm: https://xkcd.com/989/
  • Hiện vẫn giống khoa học viễn tưởng, nhưng có vẻ đang dần tiến gần hơn
    Mấy ngày trước cũng có cái này: https://news.ycombinator.com/item?id=40400591
  • Nếu tỉnh dậy mà thế giới lại tệ hơn thì sao?
    Đó là một canh bạc khá lớn về việc con người trong tương lai xa sẽ xem cơ thể được bảo tồn là tài nguyên đáng trân trọng hay là đối tượng để khai thác

• Tôi tự hỏi nếu từng có sự sống trên Sao Hỏa, liệu chúng có dùng cơ chế ngủ đông kiểu này không

• Không nên để công chúng biết rằng trong các hệ phức tạp, việc nhiều cá thể có phần dư thừa không làm gì cả là hoàn toàn tự nhiên, không phải ký sinh xã hội mà là thiết yếu để giữ cho toàn hệ thống sống sót

  • Trong phép ví dụ đó, công chúng có thể ngừng vô thời hạn một nửa mức tiêu thụ tài nguyên ở mức gần như đói khát không?
    Họ có làm vậy như một dạng bảo hiểm xác suất trước sự kiện tuyệt chủng ở cấp quần thể, rồi sau đó vẫn có khả năng phục hồi không? Phần mở rộng rút ra từ nội dung thực tế của bài này thật sự quá tệ