Phát hiện gây sốc: Vi sinh vật cổ đại phá vỡ quy tắc mã di truyền của sự sống

Một nghiên cứu mới cho thấy ít nhất một sinh vật thuộc cổ khuẩn (Archaea, hay vi sinh vật cổ) có khả năng linh hoạt đáng kinh ngạc trong cách diễn giải mã di truyền – đi ngược lại một quy tắc nền tảng đã được sinh học hiện đại chấp nhận suốt nhiều thập kỷ.

Những “viên gạch” cấu thành sự sống được tạo ra thông qua một quy trình tưởng chừng rất đơn giản: ADN được phiên mã thành ARN, sau đó ARN được dịch mã thành protein. Mọi dạng sống đều tuân theo cùng một quy tắc để hình thành protein, dựa trên 61 codon (bộ ba nucleotide), vốn được tạo thành từ 4 loại axit nucleic là adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và uracil (U).

Thông thường, mỗi codon sẽ được gán cho một trong 20 axit amin chuẩn, hoặc cho một codon kết thúc (thường là UAA, UAG hoặc UGA). Codon kết thúc có nhiệm vụ gửi tín hiệu dừng quá trình tổng hợp protein và giải phóng chuỗi polypeptide.

Trong nhiều thập kỷ, giới khoa học tin rằng quy trình này phải chính xác tuyệt đối, bởi bất kỳ sự mơ hồ nào cũng có thể khiến mã di truyền trở nên hỗn loạn. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới – được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) và do các nhà khoa học tại Đại học California, Berkeley dẫn đầu – đã phát hiện rằng ít nhất một loài cổ khuẩn – vi sinh vật tạo methane có tên Methanosarcina acetivorans – vẫn có thể tồn tại nhờ một cơ chế dịch mã “lỏng lẻo” hơn nhiều.

“Về mặt lý thuyết, sự mơ hồ trong mã di truyền phải là điều có hại, vì bạn sẽ tạo ra một tập hợp protein ngẫu nhiên”, bà Dipti Nayak, tác giả chính của nghiên cứu tại UC Berkeley, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Nhưng các hệ thống sinh học mơ hồ hơn rất nhiều so với những gì chúng ta vẫn nghĩ, và chính sự mơ hồ đó lại là một đặc tính – chứ không phải lỗi”.

Các nhà khoa học cho rằng chính “sự mơ hồ” này đã cho phép vi sinh vật trên đưa vào sử dụng một axit amin hiếm, pyrrolysine, để tạo ra các enzyme có khả năng phân giải một số loại chất dinh dưỡng nhất định. Dù sự sống rất đa dạng về số lượng axit amin cũng như việc codon nào mã hóa cho axit amin nào (thậm chí có trường hợp dư thừa), thì lâu nay vẫn tồn tại một quy tắc gần như tuyệt đối: mỗi codon chỉ có một ý nghĩa duy nhất. Nhưng giờ, quy tắc đó đã bị thách thức.

Pyrrolysine khá phổ biến trong các cổ khuẩn sinh methane. Trong quá trình nghiên cứu những sinh vật này, tác giả chính Katie Shalvarjian (hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore) nhận thấy một điều kỳ lạ: ở M. acetivorans, codon UAG không phải lúc nào cũng được hiểu theo cùng một cách.

“Codon UAG giống như một ngã rẽ, nơi nó có thể được hiểu là codon kết thúc, là một vị trí để chèn pyrrolysine”, bà Shalvarjian giải thích.

“Chúng cứ liên tục lưỡng lự giữa việc nên coi đây là tín hiệu dừng hay nên tiếp tục bằng cách gắn thêm axit amin mới này”, bà Nayak nói thêm. “Chúng không quyết định dứt khoát. Chúng làm cả hai, và dường như vẫn hoàn toàn ổn khi đưa ra lựa chọn ngẫu nhiên như vậy”.

Các kết quả ban đầu cho thấy lựa chọn của cổ khuẩn này không hoàn toàn ngẫu nhiên. Khi pyrrolysine xuất hiện dồi dào trong tế bào, vi sinh vật có xu hướng diễn giải UAG như một tín hiệu để gắn axit amin này vào protein. Ngược lại, khi lượng pyrrolysine khan hiếm, UAG thường hoạt động như một codon kết thúc, từ đó tạo ra một protein hoàn toàn khác.

Nghiên cứu này mở ra những liên hệ bất ngờ với tương lai của y học con người. Chẳng hạn, cơ thể người phụ thuộc vào cổ khuẩn để loại bỏ methylamine và duy trì sức khỏe của gan, vì vậy việc hiểu rõ sự mơ hồ trong bộ máy phân tử của chúng là rất quan trọng. Ngoài ra, các nhà khoa học còn có thể thử nghiệm việc đưa mức độ “thiếu chính xác có kiểm soát” tương tự vào các liệu pháp gen, nhằm khắc phục những bệnh do codon kết thúc xuất hiện quá sớm, như xơ nang.

“Điều này thực sự mở ra cánh cửa để tìm ra những cách thú vị nhằm kiểm soát cách tế bào diễn giải các codon kết thúc”, bà Nayak nhấn mạnh.

Theo PM

Huyền Chi