Một tế bào tối giản đến mức làm lung lay định nghĩa về sự sống

• Một sinh vật đơn bào có bộ gene bị thu gọn đến mức cực hạn đã được phát hiện, thu hút chú ý như một trường hợp buộc chúng ta phải suy nghĩ lại về định nghĩa của sự sống
• Vi sinh vật này đã mất phần lớn các gene liên quan đến trao đổi chất, không thể tự xử lý chất dinh dưỡng hay phát triển, và phụ thuộc hoàn toàn vào tế bào chủ
• Nhóm nghiên cứu đặt tên cho loài cổ khuẩn này là Candidatus Sukunaarchaeum mirabile, với bộ gene vòng dài 238 nghìn cặp base
• Sinh vật này chỉ giữ lại các gene tối thiểu cần cho tự sao chép, có bộ máy biểu hiện cơ bản như ribosome nhưng gần như không có chức năng trao đổi chất
• Phát hiện này mở rộng giới hạn tối thiểu và tính đa dạng của sự sống dạng tế bào, đồng thời mang ý nghĩa thúc đẩy việc xem xét lại ranh giới giữa sự sống và phi sự sống

---

Cấu trúc cơ bản của sự sống và phát hiện mới

• Tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống, trong đó trao đổi chất, phát triển và sao chép vật chất di truyền được xem là các chức năng cốt lõi
  • Tuy nhiên, tế bào vừa được phát hiện lần này lại thiếu phần lớn các chức năng đó
• Sinh vật này có bộ gene cực nhỏ, và các gene liên quan đến trao đổi chất gần như đã biến mất
  • Nó không thể tự xử lý dinh dưỡng hay phát triển, mà phải phụ thuộc vào vật chủ hoặc cộng đồng tế bào
• Nhóm nghiên cứu đánh giá sinh vật này là một trường hợp làm lung lay định nghĩa hiện có về sự sống
  • Nó cho thấy rằng “một tế bào không có trao đổi chất vẫn có thể tồn tại”

Quá trình xác nhận bộ gene siêu nhỏ

• Nhóm nghiên cứu đã thu thập và phân tích một loài tảo roi giáp có tên Citharistes regius từ nước biển Thái Bình Dương
  • Loài tảo này chứa vi khuẩn lam cộng sinh ở bên trong
• Trong quá trình phân tích bộ gene, họ phát hiện trình tự DNA của một loài cổ khuẩn mới
  • Độ dài là 238.000 cặp base, chỉ bằng khoảng một nửa so với cổ khuẩn tối giản từng biết trước đó (Nanoarchaeum equitans)
• Sau khi tái kiểm chứng bằng nhiều kỹ thuật và phần mềm, đây được xác nhận là một bộ gene vòng hoàn chỉnh
• Sinh vật mới được đặt tên là Candidatus Sukunaarchaeum mirabile
  • Tên gọi kết hợp vị thần lùn trong thần thoại Nhật Bản “Sukunabikona” và từ Latin nghĩa là “kỳ lạ”

Phổ liên tục của các dạng bán-sự-sống

• Sukunaarchaeum chỉ sở hữu ở mức tối thiểu các protein liên quan đến sao chép
  • Các gene liên quan đến trao đổi chất gần như không tồn tại
• Nó thuộc nhóm cổ khuẩn DPANN, vốn thường được biết đến là các sinh vật cộng sinh bám trên bề mặt tế bào chủ
  • Tuy nhiên, ngay cả trong nhóm này, Sukunaarchaeum cũng có bộ gene bị thu gọn cực đoan nhất
• Một số nhà nghiên cứu phân tích rằng sinh vật này có xu hướng ký sinh
  • Nó không cung cấp sản phẩm trao đổi chất nào, mà chỉ lấy tài nguyên từ vật chủ theo một chiều
• Một số vi khuẩn siêu nhỏ khác như Carsonella ruddii có bộ gene còn nhỏ hơn, nhưng vẫn duy trì chức năng trao đổi chất phục vụ vật chủ
  • Ngược lại, Sukunaarchaeum chỉ giữ lại chức năng sao chép và đánh mất chức năng trao đổi chất
• Khác với virus, nó tự sở hữu bộ máy biểu hiện gene như ribosome
  • Vì vậy, nó có sự khác biệt căn bản với virus

Tranh luận về định nghĩa của sự sống

• Các nhà nghiên cứu đánh giá rằng Sukunaarchaeum không thể sống độc lập
  • Tuy nhiên, các bào quan tế bào (ví dụ: ty thể) cũng không thể sống độc lập, nên ranh giới trong định nghĩa về sự sống trở nên mơ hồ
• Phát hiện này đặt ra câu hỏi mang tính triết học và sinh học: “Từ khi nào thì có thể gọi là sự sống?”

Những dạng sống tối thiểu còn chưa được biết đến

• Một phần đáng kể trong bộ gene của Sukunaarchaeum không khớp với các trình tự đã biết
  • Chúng mã hóa các protein lớn và có khả năng liên quan đến tương tác với vật chủ
• Vẫn chưa xác nhận được vật chủ thực sự là C. regius hay một loài cổ khuẩn khác
  • Cũng chưa rõ đây là dạng bám bên ngoài hay cộng sinh nội bào
• Một số nhà nghiên cứu cho rằng do tiến hóa quá nhanh, các gene trao đổi chất có thể đã trở nên không thể nhận diện
• Các phương pháp phân tích hiện nay có thể xem những bộ gene siêu nhỏ này là dữ liệu không hoàn chỉnh rồi loại bỏ
  • Vì vậy, có khả năng những sinh vật tương tự đã tồn tại nhưng bị bỏ sót
• Kết quả tìm kiếm trong các cơ sở dữ liệu đại dương toàn cầu không phát hiện trình tự trùng khớp hoàn toàn, nhưng tìm thấy nhiều trình tự tương tự
  • Sukunaarchaeum có thể chỉ là một phần của sự đa dạng vi sinh vật khổng lồ
  • Các vi sinh vật ký sinh lẫn nhau và hình thành mạng lưới quan hệ sinh thái phức tạp

[GN⁺]

Ý kiến Hacker News

• Phát hiện lần này thực sự rất ấn tượng. Tuy vậy, đây là bộ gene cổ khuẩn (archaeal) nhỏ nhất, chứ không phải nhỏ nhất trong toàn bộ giới vi khuẩn
  Bài báo có nhắc đến C. ruddii (159k cặp bazơ), nhưng Nasuia deltocephalinicola với 112k cặp bazơ dường như mới là bộ gene vi khuẩn nhỏ nhất từng biết đến

  • Điều thú vị là các sinh vật siêu nhỏ khác tạo ra sản phẩm trao đổi chất cho vật chủ nhưng không thể tự sinh sản độc lập
    Trong khi đó, Sukunaarchaeum mới được phát hiện lần này chỉ tạo ra các protein cần cho việc tự sao chép của chính nó, và gần như không có chức năng nào dành cho vật chủ
    Nói cách khác, bộ gene 238kbp chỉ mã hóa các protein tối thiểu cần cho sao chép, và hầu như không có gene liên quan đến trao đổi chất
    Trong khi đó, các vi khuẩn 159kbp lại có gene tổng hợp axit amin và vitamin cho vật chủ
  • Xét chi tiết thì cổ khuẩn có nét giống vi khuẩn, nhưng thuộc về một miền sinh giới hoàn toàn khác
  • Xác suất để 112k cặp bazơ xuất hiện ngẫu nhiên dưới dạng một tổ hợp có ý nghĩa gần như bằng 0
    Có nhiều giả thuyết về nguồn gốc sự sống, nhưng cũng có khả năng sự sống hiện đại đã “ăn sạch” môi trường đó rồi
    Hoặc cũng có thể phải cân nhắc những kịch bản căn nguyên hơn như nguồn gốc liên hành tinh (panspermia)

• Tôi tự hỏi liệu sao chép có phải là hành vi trao đổi chất quan trọng nhất của một sinh vật sống hay không
  Sukunaarchaeum không thể tự tổng hợp dinh dưỡng hay tự tăng trưởng, nhưng vẫn giữ lại các gene cần cho việc sao chép
  Tức là nó nhận năng lượng và nguyên liệu từ vật chủ để tự lắp ráp bản sao của chính mình
  Điều tôi tò mò nhất là nguyên liệu thô mà vật chủ cung cấp đã ở mức độ “hoàn thiện” tới đâu, và cổ khuẩn này sử dụng chúng như thế nào để tự sao chép

  • Nhiều sinh vật ký sinh cũng thể hiện mức độ phụ thuộc tương tự. Nhưng vì thế mà ta không coi chúng là “vô sinh”
    Cuối cùng thì đây là vấn đề nên đặt ranh giới của tính “tự lập” ở đâu
  • Ở một khía cạnh nào đó, tế bào này tạo cảm giác như một dạng trung gian giữa vi khuẩn và virus
    Giống như virus “chiếm dụng” bộ máy tế bào của vật chủ, cổ khuẩn này cũng phụ thuộc rất sâu vào quá trình trao đổi chất của vật chủ

• Với câu hỏi “Có phải đây là virus không?”, bài báo gốc thực ra nêu rõ rằng nó có các gene mã hóa tRNA và rRNA
  Đây là một đặc điểm sinh học giúp phân biệt rõ với virus
  Có thể xem nguyên văn tại bài báo trên bioRxiv

• Bộ gene của Carsonella ruddii khoảng 159.000 cặp bazơ (khoảng 40KB), tạo cảm giác như một dạng “kích thước tối thiểu của firmware tế bào”
  Với một tế bào đơn giản đến vậy, tôi cũng tò mò liệu có thể giải thích trọn vẹn chức năng của từng cặp bazơ hay không
  Sẽ rất thú vị nếu có một website tương tác để trực quan hóa điều đó

  • Tôi cũng tò mò không biết các nhà di truyền học có tính methyl hóa biểu sinh (epigenetic methylation) là một phần của thông tin di truyền hay không
  • Những bộ gene siêu nhỏ như thế này giống như phiên bản sinh học của sectorlisp

• Theo bài báo, Candidatus Sukunaarchaeum mirabile là một cổ khuẩn mới có bộ gene siêu nhỏ 238kbp
  Kích thước này còn chưa bằng một nửa bộ gene cổ khuẩn nhỏ nhất từng được biết đến trước đây

  • Để so sánh, bộ gene vi khuẩn nhỏ nhất là Nasuia deltocephalinicola ở mức khoảng 139kbp

• Cụm từ “các nhà nghiên cứu bị sốc” trong bài báo có vẻ hơi cường điệu
  Nó tạo cảm giác như kịch bản YouTube của ‘Biohacker Lab’

  • Dù vậy thì đây đúng là một phát hiện đủ sức gây kinh ngạc

• Nếu hai thuộc tính cốt lõi của sự sống là cân bằng nội môi (homeostasis) và sinh sản (reproduction), thì tế bào này sau khi đánh mất các đặc tính đó có thể bị xem là không còn sống

  • Nhưng định nghĩa như vậy là một cách nhìn quá cứng nhắc
    Không có tiêu chuẩn thống nhất nào về định nghĩa sự sống; nó chỉ được mô tả như một tập hợp các đặc tính giúp duy trì và củng cố chính sự tồn tại của mình
  • Ngoài ra đây cũng là một góc nhìn lấy sinh vật nhân thực làm trung tâm
    Sự sinh sản của sinh vật đơn bào đơn giản hơn nhiều, và trong trường hợp này cụm “hội sinh bắt buộc (Obligate commensalism)” có vẻ phù hợp hơn
  • Vậy thì nên phân loại sự sao chép của virus như thế nào? Đó cũng là một hệ hai tầng với vật chủ, nhưng ta vẫn không xem virus là sự sống
  • Thực tế, rất nhiều sinh vật cũng “thuê ngoài” cân bằng nội môi cho môi trường xung quanh. Con người cũng không thể sống sót một mình

• Tôi tò mò không biết cổ khuẩn này lấy ATP từ đâu
  Nếu gần như không có chức năng trao đổi chất, rất có thể nó được vật chủ cung cấp năng lượng gần như hoàn toàn

• Tôi nghĩ bộ gene hoạt động giống như một dạng “tệp cấu hình (config file)”
  Bản thân tế bào đã là một bộ máy cực kỳ phức tạp, còn bộ gene chỉ là các cờ và giá trị cấu hình để điều khiển nó
  Nói cách khác, chỉ dựa vào kích thước bộ gene để bàn về độ phức tạp của sự sống có thể gây hiểu lầm

• Định nghĩa về sự sống đang bị giới hạn quá mức
  Tôi cho rằng “nếu có thể tiến hóa thông qua sao chép và biến dị di truyền thì đó là sự sống”
  Rất khó thấy thuyết phục khi nói virus không phải là sự sống

  • Nhưng ngay cả định nghĩa đó cũng có vấn đề
    Động vật vô sinh hay hồng cầu không có gene thì chẳng lẽ không sống sao?
    Ngược lại, thuật toán di truyền hay bản chép tay (manuscript) cũng có sao chép và biến dị, vậy chúng cũng là sự sống à?
  • Thật ra nguyên tử, máy móc, ngọn lửa cũng có thể khớp với định nghĩa đó
    Rốt cuộc, “sự sống” chỉ là một hệ phức tạp duy trì hình thái và tự sao chép bằng cách tận dụng dòng năng lượng, vốn không có ranh giới thật sự rõ ràng