Phát hiện sinh vật vi mô sử dụng mã di truyền khác thường
Theo Science Daily, từ một mẫu sinh vật nguyên sinh trong ao nước ngọt, các nhà khoa học phát hiện hai codon vốn báo kết thúc quá trình tổng hợp protein lại được tái phân công để mã hóa hai axit amin khác nhau. Kết quả cho thấy mã di truyền ở một số sinh vật có thể linh hoạt hơn những giả định trước đây.
Một thí nghiệm giải trình tự DNA thông thường đã dẫn đến phát hiện bất ngờ về cách một sinh vật vi mô diễn giải thông tin di truyền. Khi nghiên cứu một sinh vật nguyên sinh chưa từng được nhận diện, thu thập tại khu vực Oxford University Parks ở Anh, các nhà khoa học phát hiện hai mã kết thúc gene vốn được cho là thường tiến hóa cùng nhau lại đảm nhiệm hai chức năng hoàn toàn khác biệt.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PLOS Genetics vào tháng 10/2023, mở ra góc nhìn mới về khả năng biến đổi của một trong những hệ thống nền tảng nhất của sự sống.
Phát hiện tình cờ từ một thí nghiệm giải trình tự DNA
Phát hiện được thực hiện bởi Tiến sĩ Jamie McGowan, khi đó là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Earlham (Earlham Institute), cùng các cộng sự và nhóm nghiên cứu do Giáo sư Thomas Richards thuộc Đại học Oxford dẫn dắt.
Ban đầu, nhóm nghiên cứu không có ý định tìm hiểu quá trình tiến hóa của mã di truyền. Mục tiêu của dự án là thử nghiệm một phương pháp giải trình tự DNA có khả năng phân tích lượng vật liệu di truyền cực nhỏ, thậm chí chỉ từ một tế bào. Công nghệ này có tiềm năng hỗ trợ nghiên cứu những sinh vật khó nuôi cấy và phân tích trong phòng thí nghiệm.
Trong quá trình lắp ráp và phân tích bộ gene, các nhà khoa học nhận thấy sinh vật được nghiên cứu thuộc một loài chưa từng được xác định trước đó, có tên Oligohymenophorea sp. PL0344. Đáng chú ý, cách sinh vật này sử dụng thông tin di truyền khác biệt so với những quy tắc phổ biến mà giới khoa học đã biết.
“Thật may mắn khi chúng tôi chọn sinh vật nguyên sinh này để thử nghiệm quy trình giải trình tự. Điều đó cho thấy còn rất nhiều điều chưa được khám phá về di truyền học của nhóm sinh vật này”, Tiến sĩ McGowan chia sẻ.
Sinh vật nguyên sinh (protist) là nhóm sinh vật nhân thực có mức độ đa dạng rất lớn. Phần lớn có kích thước hiển vi, bao gồm trùng amip, nhiều loại tảo và tảo cát. Một số khác có cấu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn tảo bẹ và nấm nhầy.
Sinh vật nhân thực là những sinh vật có tế bào chứa nhân, nơi lưu giữ phần lớn vật liệu di truyền. Động vật, thực vật, nấm và sinh vật nguyên sinh đều thuộc nhóm này.
Loài PL0344 thuộc nhóm trùng lông (ciliate), thường sử dụng các cấu trúc giống sợi tóc cực nhỏ gọi là lông chuyển để di chuyển trong môi trường nước. Nhóm sinh vật này đặc biệt thu hút sự quan tâm của các nhà di truyền học vì một số loài đã tiến hóa những cách thức khác thường để diễn giải thông tin DNA.
Hai mã kết thúc gene mang ý nghĩa khác nhau
Để hiểu ý nghĩa của phát hiện, cần xem xét cách tế bào chuyển thông tin di truyền thành protein.
DNA lưu trữ các chỉ dẫn cần thiết để tế bào xây dựng và duy trì hoạt động. Trong quá trình biểu hiện gene, một đoạn DNA được sao chép thành RNA thông tin (mRNA). Sau đó, ribosome đọc trình tự RNA theo từng nhóm ba nucleotide, gọi là codon, để xác định axit amin cần bổ sung vào chuỗi protein.
Phần lớn codon quy định một axit amin cụ thể. Tuy nhiên, có ba codon thường đóng vai trò tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp protein: TAA, TAG và TGA trên trình tự DNA mã hóa, tương ứng với UAA, UAG và UGA trên RNA.
Có thể hình dung các codon kết thúc như dấu chấm câu, báo cho ribosome biết đã đến cuối chỉ dẫn để hoàn thành một protein và giải phóng chuỗi axit amin vừa được tổng hợp.
Trong phần lớn sinh vật, những tín hiệu này duy trì chức năng tương đối ổn định qua lịch sử tiến hóa. Tuy nhiên, một số sinh vật đã tiến hóa những biến thể của mã di truyền, trong đó codon vốn báo kết thúc lại được sử dụng để mã hóa axit amin.
Ở một số loài trùng lông, các nhà khoa học từng ghi nhận hiện tượng này. Dù vậy, một quy luật được cho là khá nhất quán là hai codon TAA và TAG thường thay đổi chức năng đồng thời. Khi không còn đóng vai trò kết thúc, chúng thường cùng mã hóa một loại axit amin.
Bộ gene của Oligohymenophorea sp. PL0344 lại cho thấy một trường hợp khác biệt.
Cụ thể, codon TAA được tái phân công để mã hóa lysine, trong khi TAG mã hóa axit glutamic. Đây là hai axit amin có đặc tính hóa học và vai trò sinh học khác nhau. Trong khi đó, TGA vẫn đảm nhiệm chức năng kết thúc quá trình tổng hợp protein.
Theo nhóm nghiên cứu, đây là trường hợp đầu tiên được báo cáo trong đó cả TAA và TAG đều được tái phân công để mã hóa hai axit amin khác nhau.
“Trong gần như tất cả những trường hợp khác mà chúng tôi biết, TAA và TAG thay đổi chức năng cùng nhau. Khi không còn là codon kết thúc, chúng đều mã hóa cùng một axit amin”, Tiến sĩ McGowan giải thích.
Phát hiện mới cho thấy mối liên hệ tiến hóa giữa hai codon này không chặt chẽ như những giả định trước đây, đồng thời đặt ra câu hỏi về các cơ chế cho phép hệ thống dịch mã duy trì hoạt động khi những tín hiệu cơ bản thay đổi.
Cơ chế nào giúp sinh vật sử dụng mã di truyền khác thường?
Nhóm nghiên cứu tìm thấy các gene RNA vận chuyển (tRNA) chuyên biệt liên quan đến những codon (mã bộ ba) đã được tái phân công.
tRNA đóng vai trò trung gian trong quá trình tổng hợp protein, giúp đưa đúng axit amin tương ứng với thông tin trên mRNA đến ribosome. Sự hiện diện của các gene tRNA chuyên biệt củng cố nhận định rằng mã di truyền khác thường là đặc điểm thực sự của sinh vật, chứ không phải lỗi phát sinh trong quá trình giải trình tự.
Các nhà khoa học cũng phát hiện số lượng đáng chú ý các codon TGA nằm trong những vùng DNA ngay sau trình tự mã hóa protein.
Những tín hiệu kết thúc bổ sung này có thể đóng vai trò như một cơ chế dự phòng. Nếu ribosome vô tình tiếp tục đọc vượt quá điểm kết thúc dự kiến, một codon TGA tiếp theo có thể giúp chấm dứt quá trình tổng hợp, hạn chế việc tạo ra chuỗi protein dài bất thường.
Cơ chế này có thể đặc biệt hữu ích đối với sinh vật chỉ sử dụng một trong ba codon kết thúc phổ biến.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu chưa xác định được chính xác quá trình tiến hóa nào đã dẫn đến sự thay đổi mã di truyền ở loài PL0344. Kết quả mới chủ yếu cho thấy bộ máy dịch mã của tế bào có khả năng thích ứng linh hoạt hơn so với nhận thức trước đây.
Những nghiên cứu tiếp theo tiếp tục phát hiện biến thể mã di truyền
Phát hiện năm 2023 mở ra hướng tìm kiếm những biến thể chưa được nhận diện ở các sinh vật vi mô khác.
Tháng 12/2024, Tiến sĩ McGowan cùng các cộng sự công bố nghiên cứu tiếp theo trên PLOS Genetics, cho thấy những thay đổi bất thường trong mã di truyền đã xuất hiện độc lập ở một số dòng trùng lông khác.
Nhóm nghiên cứu phân tích dữ liệu di truyền của các sinh vật thuộc nhóm Phyllopharyngea, trong đó có dữ liệu từ dự án TARA Oceans, chương trình quốc tế nghiên cứu sự đa dạng sinh học và di truyền của sinh vật biển.
Kết quả cho thấy ba loài trùng lông chưa được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm có codon UAG, vốn thường là tín hiệu kết thúc, dường như được sử dụng để mã hóa leucine. Các sinh vật này được phát hiện trong những mẫu liên quan đến Bắc Băng Dương và Nam Đại Dương.
Ngoài ra, khi phân tích các bộ dữ liệu gene đã có, nhóm nghiên cứu nhận diện thêm hai loài trùng lông là Hartmannula sinica và Trochilia petrani, trong đó UAG dường như mã hóa glutamine.
Các so sánh tiến hóa cho thấy những thay đổi này có thể đã phát sinh độc lập ít nhất ba lần.
Tuy nhiên, hệ thống mã di truyền ở các loài được nghiên cứu năm 2024 không hoàn toàn giống trường hợp PL0344. Ở năm loài trùng lông được khảo sát, UAA vẫn là tín hiệu kết thúc, trong khi UAG được chuyển sang một chức năng khác.
Dù có sự khác biệt, các kết quả tiếp tục củng cố bằng chứng rằng hai codon này không nhất thiết phải tiến hóa cùng nhau.
Công nghệ giải trình tự giúp hé lộ đa dạng sinh học còn ẩn giấu
Những phát hiện về mã di truyền không phải là ví dụ duy nhất cho thấy giá trị của việc nghiên cứu các sinh vật ít được biết đến.
Tháng 3/2026, các nhà khoa học tại Viện Earlham và Đại học Oxford công bố một nghiên cứu trên tạp chí Microbial Genomics, tập trung vào nhóm sinh vật nguyên sinh Bodo, thường xuất hiện trong môi trường nước ngọt, nước lợ và đất.
Bằng cách phân tích chỉ bảy tế bào chưa được nuôi cấy, nhóm nghiên cứu xác định ba dòng tiến hóa chưa được nhận diện trước đó. Mỗi dòng có mối liên hệ với một đối tác vi khuẩn riêng sống bên trong sinh vật.
Nghiên cứu này không chứng minh các loài Bodo có sự thay đổi mã di truyền tương tự PL0344. Thay vào đó, kết quả cho thấy mức độ đa dạng sinh học còn chưa được khám phá, đặc biệt khi nghiên cứu chủ yếu dựa vào những sinh vật dễ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.
Các công nghệ giải trình tự ngày càng phát triển có thể giúp giới khoa học phát hiện thêm những mã di truyền khác thường, các mối quan hệ sinh học chưa biết và những cơ chế hoạt động mới của tế bào.
Những biến thể tự nhiên này cũng có ý nghĩa đối với sinh học tổng hợp, lĩnh vực nghiên cứu tìm cách điều chỉnh mã di truyền để tạo ra tế bào có chức năng mới hoặc sản xuất protein mang những đặc tính khác biệt.
Tuy nhiên, các cơ chế tiến hóa đứng sau sự đa dạng của mã di truyền ở trùng lông vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Từ một thí nghiệm giải trình tự DNA vốn không nhằm tìm kiếm những quy luật di truyền mới, các nhà khoa học đã phát hiện một ngoại lệ đáng chú ý trong hệ thống tưởng chừng đã được hiểu rõ. Như Tiến sĩ McGowan nhận xét, giới khoa học đang nỗ lực thiết kế những mã di truyền mới, nhưng những biến thể kỳ lạ như vậy cũng đã tồn tại trong tự nhiên.
Đôi khi, những khám phá quan trọng nhất xuất hiện không phải khi các nhà khoa học chủ động tìm kiếm chúng, mà khi họ tình cờ nhìn thấy điều chưa từng được nhận ra trước đó.
Thái An
