Nitroplast – khi một vi khuẩn cố định đạm trở thành bào quan của tế bào
Một phát hiện từ đại dương đang buộc chúng ta nhìn lại một trong những nguyên tắc lâu đời của sinh học: cố định nitơ không nhất thiết chỉ là công việc của những vi khuẩn sống độc lập. Trong một loài tảo biển đơn bào, một vi khuẩn cố định đạm đã tích hợp sâu đến mức trở thành một bào quan của tế bào – “nitroplast”.
Trong sinh học, có những khám phá không bắt đầu từ việc nhìn thấy một sinh vật mới dưới kính hiển vi. Đôi khi, chúng bắt đầu từ một đoạn DNA.
Câu chuyện về nitroplast là một trường hợp như vậy.
Từ một đoạn gene nifH giữa đại dương
Cuối những năm 1990, nhà hải dương học Jonathan Zehr và cộng sự tìm kiếm các vi sinh vật có khả năng cố định nitơ trong đại dương.
Ở thời điểm đó, hiểu biết về những sinh vật thực hiện quá trình cố định N₂ trong đại dương vẫn còn hạn chế. Nhóm nghiên cứu sử dụng nifH – gene mã hóa một thành phần của enzyme nitrogenase – như một dấu chuẩn phân tử để tìm các diazotroph chưa được biết đến.
Năm 2001, Zehr và cộng sự công bố trên Nature bằng chứng cho thấy các cyanobacteria đơn bào trong đại dương có thể biểu hiện nitrogenase và đóng góp đáng kể vào quá trình cố định N₂. Đây là một bước quan trọng làm thay đổi quan niệm về hệ vi sinh vật cố định đạm ở đại dương.
Một trong những sinh vật đặc biệt được phát hiện từ chuỗi nghiên cứu này sau đó được gọi là UCYN-A – viết tắt của unicellular cyanobacterial group A.
Nhưng UCYN-A rất kỳ lạ.
Nó có bộ gene nhỏ hơn đáng kể so với nhiều cyanobacteria thông thường và đã mất nhiều con đường chuyển hóa mà một vi khuẩn sống độc lập thường cần.
Điều đó dẫn đến một câu hỏi quan trọng:
UCYN-A thực sự là một vi khuẩn sống độc lập, hay nó đang phụ thuộc vào một sinh vật khác?
Sinh vật mà các nhà khoa học “biết là tồn tại” nhưng khó nhìn thấy
Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu thường xuyên phát hiện trình tự DNA của UCYN-A trong các mẫu nước biển nhưng việc xác định chính xác sinh vật chủ của nó không đơn giản.
Mảnh ghép quan trọng xuất hiện từ nghiên cứu của nhà khoa học Nhật Bản Kyoko Hagino và cộng sự.
Họ nghiên cứu một loài tảo biển đơn bào có tên:
Braarudosphaera bigelowii.
Khi quan sát tế bào tảo bằng kính hiển vi điện tử, nhóm nghiên cứu phát hiện bên trong tế bào có một cấu trúc hình cầu đặc biệt, được gọi lúc đó là spheroid body.
Phân tích trình tự 16S rRNA cho thấy cấu trúc này có nguồn gốc từ chính cyanobacterium UCYN-A.
Năm 2013, Hagino và cộng sự công bố kết quả trên PLOS ONE, đề xuất rằng spheroid body trong B. bigelowii có nguồn gốc từ quá trình nội cộng sinh với UCYN-A.
Như vậy, hai câu chuyện tưởng như độc lập cuối cùng gặp nhau:
Một cyanobacterium cố định đạm được phát hiện bằng dấu chuẩn phân tử trong đại dương lại đang sống bên trong một tế bào tảo.
Nhưng câu chuyện chưa dừng ở đó.
Khi nào một vi khuẩn không còn là “vi khuẩn cộng sinh”?
Đây là một câu hỏi rất quan trọng trong sinh học tiến hóa.
Mitochondria trong tế bào của chúng ta được cho là có nguồn gốc từ một vi khuẩn cổ đại.
Chloroplast trong thực vật và tảo cũng có nguồn gốc từ cyanobacteria.
Theo thuyết nội cộng sinh, tổ tiên của những bào quan này từng là những vi khuẩn sống độc lập. Sau khi đi vào tế bào chủ, chúng ngày càng phụ thuộc vào vật chủ, mất nhiều gene và chuyển một phần chức năng cho tế bào chủ.
Sau hàng triệu năm tiến hóa, chúng không còn tồn tại như những sinh vật độc lập.
Chúng trở thành bào quan – organelle.
Vậy UCYN-A đang ở đâu trên con đường này?
Những bằng chứng khiến UCYN-A được gọi là “nitroplast”
Năm 2024, Tyler Coale, Jonathan Zehr và cộng sự công bố một nghiên cứu quan trọng trên Science với tiêu đề:
“Nitrogen-fixing organelle in a marine alga.”
Nghiên cứu đưa ra nhiều bằng chứng cho thấy UCYN-A đã tiến xa hơn một quan hệ cộng sinh thông thường.
1. UCYN-A phân chia đồng bộ với tế bào chủ
Sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp tia X mềm, các nhà khoa học theo dõi cấu trúc tế bào trong quá trình phân chia.
UCYN-A không nhân lên một cách hoàn toàn độc lập.
Sự phân chia của nó được phối hợp với chu kỳ tế bào của B. bigelowii, tương tự cách mitochondria và chloroplast được phân chia và phân bố cho các tế bào con.
2. Kích thước của UCYN-A được điều phối với tế bào chủ
Một nghiên cứu công bố trên Cell năm 2024 cho thấy tỷ lệ thể tích giữa UCYN-A và tế bào chủ được duy trì rất chặt chẽ.
Mô hình trao đổi chất cho thấy mối quan hệ kích thước này phù hợp với sự trao đổi tài nguyên giữa hai thành phần và tối ưu hóa sự tăng trưởng của hệ cộng sinh.
3. UCYN-A nhập protein do tế bào chủ tạo ra
Đây có lẽ là bằng chứng quan trọng nhất.
Phân tích proteomics cho thấy nhiều protein có mặt trong UCYN-A không phải được mã hóa bởi genome nhỏ bé của UCYN-A.
Thay vào đó, gene của chúng nằm trong genome nhân của tế bào tảo.
Protein được tổng hợp bởi tế bào chủ rồi vận chuyển vào UCYN-A.
Đây chính là một trong những đặc điểm quan trọng của các bào quan như mitochondria và chloroplast.
Từ những bằng chứng này, nhóm nghiên cứu kết luận rằng UCYN-A đã vượt qua trạng thái của một endosymbiont thông thường và đang hoạt động như một bào quan cố định N₂ ở giai đoạn tiến hóa sớm.
Tên gọi dành cho bào quan này là:
NITROPLAST
Nitroplast thực sự làm gì?
Không khí quanh chúng ta chứa khoảng 78% nitrogen dưới dạng N₂.
Nhưng phần lớn sinh vật không thể trực tiếp sử dụng phân tử N₂ này.
Để nitrogen đi vào hệ sinh học, N₂ phải được chuyển thành những dạng có thể sử dụng được, chẳng hạn ammonia.
Một trong những con đường quan trọng nhất là biological nitrogen fixation – BNF.
Phản ứng được thực hiện nhờ phức hệ enzyme:
nitrogenase.
Trong tự nhiên, khả năng này từ lâu được xem là thuộc về một số nhóm bacteria và archaea.
Nitroplast làm thay đổi cách chúng ta diễn đạt nguyên tắc đó.
Không phải vì một tế bào nhân thực đột nhiên tự tiến hóa ra nitrogenase.
Mà bởi vì một cyanobacterium cố định đạm đã được tích hợp sâu vào tế bào nhân thực đến mức trở thành một bộ phận chức năng của chính tế bào đó.
Nói cách khác:
tế bào tảo đã “nội hóa” một hệ thống cố định đạm.
Một câu chuyện quen thuộc trong lịch sử tiến hóa
Nếu nhìn rộng hơn, nitroplast khiến chúng ta liên tưởng đến hai sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử sự sống.
Một vi khuẩn cổ đại:
→ mitochondrion
Một cyanobacterium cổ đại:
→ chloroplast
Và bây giờ chúng ta đang quan sát một hệ thống khác:
UCYN-A → nitroplast
Điều đặc biệt là nitroplast có thể cho chúng ta cơ hội nghiên cứu một hệ thống đang ở giai đoạn tương đối sớm của quá trình organellogenesis – hình thành bào quan.
Trong khi nguồn gốc mitochondria và chloroplast xảy ra từ rất xa trong lịch sử tiến hóa, hệ UCYN-A–Braarudosphaera cho phép các nhà khoa học nghiên cứu trực tiếp nhiều dấu hiệu của quá trình tích hợp giữa endosymbiont và tế bào chủ.
Và câu hỏi lớn: cây trồng có thể “tự cố định đạm” hay không?
Đây có lẽ là phần dễ khiến phát hiện này được chú ý nhất.
Nitrogen là một trong những dinh dưỡng quan trọng nhất đối với cây trồng.
Nông nghiệp hiện đại phụ thuộc mạnh vào phân đạm công nghiệp. Việc sản xuất và sử dụng lượng phân này mang lại năng suất rất lớn cho nông nghiệp thế giới, nhưng đồng thời tạo ra nhiều vấn đề môi trường: tiêu thụ năng lượng, phát thải khí nhà kính, nitrate thất thoát vào nước và phú dưỡng hệ sinh thái.
Vì vậy, một mục tiêu lâu dài của sinh học thực vật là:
Liệu chúng ta có thể giúp những cây trồng quan trọng như lúa, ngô hoặc lúa mì khai thác N₂ khí quyển hiệu quả hơn hay không?
Nitroplast cho thấy rằng tự nhiên đã từng giải được một phiên bản của bài toán này.
Nhưng cần hết sức thận trọng.
Từ một bào quan cố định đạm trong tảo biển đến một cây lúa có khả năng tự cố định N₂ là khoảng cách sinh học rất lớn.
Nitrogenase là một hệ enzyme phức tạp, tiêu tốn nhiều năng lượng và đặc biệt nhạy cảm với oxygen.
Ngoài nitrogenase, một hệ thống cố định đạm còn cần cơ chế điều hòa, cung cấp electron, kim loại, năng lượng và bảo vệ enzyme trước O₂.
Do đó, nitroplast không có nghĩa rằng cây lúa tự cố định đạm sẽ xuất hiện trong tương lai gần.
Nhưng nó cung cấp một điều rất quan trọng hơn:
một bằng chứng rằng tự nhiên có thể tích hợp một hệ thống cố định N₂ vào bên trong tế bào nhân thực.
Từ nifH đến một bào quan mới
Có một điều tôi đặc biệt thích trong câu chuyện này.
Điểm khởi đầu không phải là một cấu trúc ngoạn mục dưới kính hiển vi.
Nó bắt đầu từ một gene.
nifH.
Một tín hiệu phân tử trong nước biển dẫn các nhà khoa học đến một cyanobacterium kỳ lạ.
Cyanobacterium đó dẫn họ đến một quan hệ cộng sinh.
Quan hệ cộng sinh đó dẫn đến một câu hỏi về sự hình thành bào quan.
Và hơn hai thập kỷ sau, câu chuyện kết thúc – hoặc có lẽ chỉ mới bắt đầu – với việc mô tả một bào quan cố định nitrogen.
Chuỗi khám phá này cũng cho thấy sức mạnh của sinh học hiện đại:
molecular ecology → genomics → microscopy → proteomics → evolutionary biology.
Không một phương pháp đơn lẻ nào có thể kể trọn vẹn câu chuyện.
Một câu hỏi mới cho sinh học
Nitroplast không làm thay đổi định luật hóa học của quá trình cố định đạm.
Nitrogenase vẫn là nitrogenase.
N₂ vẫn là một phân tử cực kỳ bền.
Nhưng phát hiện này làm thay đổi cách chúng ta nghĩ về ranh giới giữa một sinh vật cộng sinh và một bộ phận của tế bào.
Một vi khuẩn có thể sống trong tế bào khác.
Nó có thể dần mất gene.
Nó có thể phụ thuộc vào tế bào chủ.
Tế bào chủ có thể bắt đầu cung cấp protein cho nó.
Sự phân chia của hai bên có thể trở nên đồng bộ.
Và ở một thời điểm nào đó trong tiến hóa, chúng ta không còn gọi nó là “vi khuẩn sống bên trong tế bào”.
Chúng ta gọi nó là:
bào quan.
Nitroplast có thể chính là một ví dụ hiếm hoi cho phép chúng ta quan sát quá trình đó gần như khi nó vẫn đang diễn ra.
Và có lẽ đó mới là điều khiến phát hiện này trở nên thú vị nhất.
Tài liệu đọc thêm
- Zehr JP et al. (2001). Unicellular cyanobacteria fix N₂ in the subtropical North Pacific Ocean. Nature 412:635–638. DOI: 10.1038/35088063.
- Hagino K, Onuma R, Kawachi M, Horiguchi T. (2013). Discovery of an Endosymbiotic Nitrogen-Fixing Cyanobacterium UCYN-A in Braarudosphaera bigelowii. PLOS ONE 8:e81749. DOI: 10.1371/journal.pone.0081749.
- Coale TH et al. (2024). Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. Science 384:217–222. DOI: 10.1126/science.adk1075.
- Coale TH et al. (2024). Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis. Cell 187:1762–1768.e9. DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016.
Bài viết được gợi ý từ video “This cell just changed biology” của Grist và các công trình khoa học gốc về UCYN-A và nitroplast.