Cuộc sống tìm thấy một cách.
Đó là kết luận của một nghiên cứu mới trong Thiên nhiên, khiến các tế bào vi khuẩn tổng hợp đọ sức với lực lượng tiến hóa. Bị tước bỏ bản thiết kế di truyền của bộ xương, các tế bào nhân tạo bắt đầu mất khả năng sinh tồn.
Tuy nhiên, chúng đã phát triển mạnh, phát triển với tốc độ nhanh hơn gần 40% so với các đối tác không tối thiểu của chúng. Trải qua 2,000 thế hệ, các tế bào được sắp xếp hợp lý đã lấy lại được khả năng tiến hóa của chúng—khả năng tồn tại, phát triển và sinh sản—mà ban đầu đã bị mất sau khi loại bỏ một phần lớn gen của chúng.
Kết quả có thể báo trước một thế hệ tiếp theo của vi khuẩn tổng hợp bơm ra insulin và các loại thuốc cứu mạng sống khác, sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc các hóa chất độc hại phân hủy sinh học—bằng cách khai thác, thay vì chống lại, sức mạnh của sự tiến hóa.
Điểm mấu chốt là tập hợp các gen đột biến mang lại lợi thế cho tế bào tối thiểu. Kỹ thuật tương tự có thể tinh chỉnh thêm các tế bào nhân tạo bằng cách hướng dẫn cách các thế hệ tiếp theo phát triển.
Sử dụng thực tế sang một bên, bây giờ chúng ta có thể nhìn vào chính sự chọn lọc tự nhiên.
Tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Jay Lennon tại Đại học Indiana Bloomington, cho biết: “Có vẻ như cuộc sống có điều gì đó thực sự mạnh mẽ. “Chúng ta có thể đơn giản hóa nó xuống chỉ còn những yếu tố cần thiết nhất, nhưng điều đó không ngăn cản quá trình tiến hóa hoạt động.”
còng tay di truyền
Sự tiến hóa là một con dao hai lưỡi.
Bạn biết những điều cơ bản. Gen đột biến ngẫu nhiên. Hầu hết thời gian họ không có ảnh hưởng rõ ràng. Trong một số trường hợp khủng khiếp, đột biến giết chết con cái hoặc gây ra bệnh tật và ám ảnh các dòng di truyền sau này.
Nhưng hiếm khi, đột biến cung cấp cho vật chủ một siêu năng lực nhờ chọn lọc tích cực, giúp tăng cường khả năng tiến hóa và mang lại cho động vật cơ hội cao hơn để truyền lại gen của nó. Các ví dụ bao gồm mực tiến hóa da thay đổi màu sắc để che giấu chúng khỏi những kẻ săn mồi hoặc ở người, sắc tố da thích nghi với ánh nắng mặt trời khi chúng ta phân tán trên toàn cầu.
Không phải tất cả các gen đều bình đẳng. Một số, được gọi là “gen thiết yếu”, rất quan trọng cho sự sống còn. Những gen này đột biến nhưng với tốc độ rất chậm. Những thay đổi rất nguy hiểm, có khả năng đẩy một loài đến chỗ tuyệt chủng. Hãy coi những loại gen này như nền móng của một ngôi nhà—việc nghịch ngợm với chúng trong quá trình cải tạo có thể khiến toàn bộ cấu trúc sụp đổ.
Các gen khác linh hoạt hơn nhiều.
Hãy mycoplasma mycoides, một loại vi khuẩn thường trú ngụ bên trong ruột dê. Trải qua hàng thiên niên kỷ, những con bọ đã hình thành mối quan hệ cộng sinh với vật chủ của chúng, loại bỏ nhiều gen một cách tự nhiên khi chúng ngày càng phụ thuộc vào vật chủ để lấy dinh dưỡng, trong khi vẫn giữ lại các gen cần thiết cho sự tồn tại và sinh sản. Chỉ với 901 gen, M. mycoides là một loại vi khuẩn nhỏ về mặt di truyền.
Trở lại năm 2016, các nhà khoa học tại Viện J. Craig Venter đã tiếp tục giải mã bộ gen của nó, tạo ra một sinh vật sống chỉ với 493 gen. Tế bào thu được, được đặt tên là JCVI-syn3B, là sinh vật tự trị đơn giản nhất từng xuất hiện trên hành tinh Trái đất.
Khi biết về JCVI-syn3B tại một hội nghị, Lennon đã bị cuốn hút.
“Tôi bị choáng ngợp bởi… phép loại suy của việc cố gắng hiểu điều gì đó từ cơ sở đơn giản nhất của nó,” anh ấy nói. Nhưng “nếu bạn tạo ra một sinh vật có thể sinh sản, nhưng sau đó bạn cho phép nó trải nghiệm sức mạnh của sự tiến hóa… và những đột biến và thiệt hại sẽ phát sinh, làm thế nào nó có thể chống lại điều đó?”
Cuộc đấu tranh đặc biệt khó khăn đối với JCVI-syn3B. Bởi vì bộ gen của nó bị loại bỏ đến mức tối thiểu, nên có rất ít chỗ cho các đột biến. Khi mọi gen đều quan trọng cho sự sống còn, thì quá trình tiến hóa là trò cò quay kiểu Nga—mọi thay đổi về ký tự gen đều làm tăng cơ hội tuyệt chủng.
Các tỷ lệ cược thậm chí còn ảm đạm hơn. JCVI-syn3B cũng thiếu các gen bảo vệ thường bảo vệ các tế bào khỏi đột biến, ung thư và tử vong.
Lennon cho biết, chúng tôi tham gia nghiên cứu với suy nghĩ đơn giản là sinh vật sẽ không thể chống lại “những đột biến không thể tránh khỏi [that are] sẽ tấn công một trong những gen thiết yếu đó,” Lennon nói.
Một chiến thắng tối giản
Kiểm tra lý thuyết, nhóm nghiên cứu đã so sánh tế bào tối thiểu với Mycoplasma mycoides thế hệ đầu tiên (JCV10syn1.0) mà tế bào này được tạo ra. Mỗi chủng phát triển trong môi trường bổ dưỡng cho khoảng 2,000 thế hệ vi khuẩn trong 300 ngày, tương đương với 40,000 năm tiến hóa của loài người.
Đó là một thử nghiệm tàn bạo: dựa trên các ước tính hiện tại, một đột biến mới có thể tác động đến mọi chữ cái di truyền hơn 250 lần trong quá trình thử nghiệm.
Kết quả đầu tiên đến như một cú sốc. Mặc dù cả hai chủng đột biến nhanh chóng nhưng tỷ lệ không khác nhau. Nói cách khác, JCVI-syn3B nhỏ có thể sửa đổi linh hoạt các gen của nó giống như những người anh em họ không tối thiểu của nó, mặc dù sau này có nhiều chữ cái di truyền hơn để chịu đựng các đột biến ngẫu nhiên. Cả hai chủng vi khuẩn đều sống sót qua các loại thay đổi di truyền tương tự nhau—thêm vào, xóa bỏ và chuyển đổi các ký tự di truyền—mà không gặp trở ngại nào.
Điều đặc biệt ấn tượng là tế bào tối thiểu đã xuất hiện thiếu khả năng tiến hóa ở mức “cân nặng” ban đầu của tổ tiên (nghĩa là trước khi các tế bào vi khuẩn bắt đầu hành trình tiến hóa của chúng).
“Những tác động ban đầu của việc giảm bộ gen là khá lớn; họ làm cho các tế bào bị bệnh,” Lennon nói. Thể lực của họ—tốc độ tăng trưởng hoặc khả năng cạnh tranh của họ—giảm 50%.
Tua nhanh 2,000 thế hệ, và đó là một bức tranh khác. Các tế bào tối thiểu bật trở lại, lấy lại tỷ lệ phù hợp tương tự như những người anh em họ không tối thiểu của chúng. Mặc dù chứa đựng một bộ gen đơn thuần, nhưng chúng đã thích nghi với môi trường xung quanh và vượt qua những thiếu sót về gen ban đầu.
Huyết mạch chính của tế bào tối thiểu dường như là “đổi mới trao đổi chất”. Thay vì tự thích nghi để hấp thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn từ nước dùng xung quanh, các tế bào thay vào đó tăng khả năng tổng hợp các mảnh phân tử chất béo thành một lớp bảo vệ bên ngoài mà không làm mất đi các phân tử lipid cần thiết cho quá trình tái tạo.
Điều đó không có nghĩa là các ô tối thiểu hoàn toàn ổn. Mở rộng kích thước thường là một dấu hiệu của sự thích nghi tiến hóa—điều đó có nghĩa là một tế bào có khả năng chứa nhiều protein hơn và các phân tử sinh học khác để tăng trưởng và phân chia hơn nữa. Tuy nhiên, tế bào tối thiểu JCVI-syn3B vẫn giữ nguyên kích thước, trong khi người anh em không tối thiểu của nó tăng gần gấp đôi trọng lượng của nó.
Nhóm nghiên cứu có những ý tưởng tại sao điều này có thể xảy ra.
Các thử nghiệm ban đầu sử dụng CRISPR cho thấy rằng một gen đặc biệt có thể đứng đằng sau tầm vóc nhỏ bé của tế bào tối thiểu. Các tế bào cũng thiếu một nửa số chất vận chuyển phân tử thông thường rải rác trên màng của chúng. Giống như những “cái miệng” nhỏ xíu, những protein này giúp tế bào bắt và hấp thụ chất dinh dưỡng. Ít miệng phân tử hơn đã biến các tế bào thành những kẻ kén ăn, do đó có thể gây hại cho sự phát triển của chúng.
Một giả thuyết khác cho thấy kích thước tế bào không quan trọng đối với thể lực tiến hóa. Kích thước của một tế bào có thể chỉ là sản phẩm phụ phù hợp của một đặc điểm di truyền khác, chẳng hạn như tốc độ sao chép DNA của nó.
Những tiến bộ gần đây trong sinh học tổng hợp đã tập trung vào ma thuật công nghệ—chẳng hạn như xây dựng bộ gen cho các sinh vật tối thiểu hoặc chèn mạch di truyền vào vật chủ vi khuẩn. Nhưng trả lời những câu hỏi như thế này là lý do tại sao sử dụng sinh học tổng hợp để nghiên cứu sự tiến hóa có thể thay đổi cuộc chơi.
Các tác giả giải thích bằng cách kết hợp sinh học tổng hợp với quá trình tiến hóa, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của gen và mạng lưới của chúng. Cuối cùng, có thể thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống sống tổng hợp ngày càng tinh vi theo những cách bền vững.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://singularityhub.com/2023/07/07/cells-stripped-of-nearly-all-their-genes-still-thrive-under-evolution/
