Bí ẩn rùng rợn về những vi khuẩn thây ma vẫn tiếp tục tạo ra ADN dù tế bào chết

Một ranh giới sinh học tưởng chừng bất biến vừa bị phá vỡ trong công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Angewandte Chemie vào tháng 8. Tiến sĩ Gabriel Antonio Minero cùng các cộng sự tại Đại học Aarhus đã ghi nhận một hiện tượng tưởng như chỉ tồn tại trong các tác phẩm viễn tưởng: vi khuẩn sau khi chết vẫn tiếp tục vận hành cỗ máy sao chép ADN ngay giữa môi trường tự nhiên.

Từ lâu, giới khoa học đã biết vi khuẩn không chỉ tồn tại đơn lẻ mà thường tụ họp thành màng sinh học – những cộng đồng vi sinh vật tiết ra chất nhầy bám dính để cố định vị trí. Trong mắt đa số các nhà nghiên cứu, chất dính này là đối tượng cần loại bỏ vì chúng giúp mầm bệnh bám chặt vào bề mặt.

Tuy nhiên, tiến sĩ Minero phát hiện ra rằng ADN ngoại bào chính là thành phần cốt lõi tạo nên chất kết dính này. Vi khuẩn sử dụng chính vật chất di truyền của mình bên ngoài tế bào như một lớp vữa xây dựng, một tấm khiên che chắn, và thậm chí là công cụ truyền dẫn electron phục vụ quá trình hô hấp. Đáng chú ý, hiện tượng này vẫn đang âm thầm diễn ra ngay trong khoang miệng con người nếu răng miệng không được vệ sinh sạch sẽ.

Bí mật của những “thây ma” này bắt nguồn từ các thể thực khuẩn – loại virus chuyên ký sinh trên vi khuẩn. Khi xâm nhập, chúng có thể nằm phục mịch dưới dạng tiền thực khuẩn trong hệ gene của vật chủ. Trong thí nghiệm trên hai chủng vi khuẩn Shewanella oneidensis và Bacillus subtilis, nhóm tác giả đã chủ động cắt nguồn dinh dưỡng của vi khuẩn. Khi cảm nhận thấy vật chủ sắp cạn kiệt sự sống, những virus đang ngủ đông lập tức trỗi dậy. Tương tự như loài quái vật trong bộ phim Alien, chúng chiếm quyền điều khiển, ép vi khuẩn tạo thêm các bản sao virus rồi phá tung màng tế bào để tìm kiếm mục tiêu mới.

Cú nổ tế bào này giải phóng vào màng sinh học không chỉ các hạt virus mới mà còn làm tràn ngập các enzym sao chép ADN, cùng toàn bộ lượng axit amin và các khối phân tử nền tảng. Dù tế bào vật chủ đã chết hoàn toàn, các enzym được giải phóng vẫn không ngừng nghỉ tiếp tục chu trình ghép nối vật liệu để tổng hợp ADN mới. Đúng như tiến sĩ Minero nhấn mạnh, sự sống theo một cách nào đó vẫn tìm được lối đi để tiếp diễn sau cái chết của vi khuẩn.

Để loại trừ khả năng lượng ADN này đã được tạo ra từ trước khi tế bào vỡ ra, các nhà khoa học đã đưa vào hỗn hợp một đoạn ADN nhân tạo mang tín hiệu kích hoạt huỳnh quang – thứ chưa từng tồn tại bên trong vi khuẩn sống. Kết quả cho thấy các enzym tự do ngoài môi trường lập tức lấy chuỗi ADN mới làm bản thiết kế và miệt mài sao chép như những cỗ máy tự động. Trong điều kiện đó, enzym của B. subtilis tạo ra các chuỗi ADN dài, còn enzym của S. oneidensis lại tạo nên các khối kiến trúc ADN hình bông hoa kỳ dị.

Điều đáng nói là hiện tượng này hoàn toàn biến mất ở những vi khuẩn không nhiễm virus. Nhận định này đưa tiến sĩ Minero tới kết luận rằng virus chính là những kiến trúc sư nano trực tiếp định hình màng sinh học. Thay vì chỉ là mối quan hệ ký sinh đơn thuần, đây có thể là một cơ chế tiến hóa tương hỗ. Dù các cá thể vi khuẩn bị tiêu diệt, nhưng sự hy sinh của chúng – tương tự như những con ong thợ chết vì tổ – đã để lại một lớp màng sinh học kiên cố bảo vệ những vi khuẩn còn lại trong đàn.

Ý nghĩa thực tiễn lớn nhất của phát hiện này nằm ở khả năng làm chủ quy trình. Nhóm nghiên cứu khẳng định con người hoàn toàn có thể can thiệp vào các “nhà máy thây ma” để điều khiển ADN ngoại bào cuộn gập thành các cấu trúc đặc thù mang tên G-quadruplex.

Các đoạn cấu trúc này đóng vai trò như chất xúc tác hóa học đắc lực. Tiến sĩ Minero ví von việc này giống như trang bị vũ khí cho thây ma, đồng thời mở ra triển vọng thúc đẩy tốc độ của các phản ứng hóa học công nghiệp để tối ưu hóa chi phí.

Hiện nay, cả S. oneidensis và B. subtilis đều đang được ứng dụng trong các quy trình xử lý nước thải. Việc tận dụng nguồn ADN ngoại bào này được kỳ vọng sẽ nâng tầm hiệu suất xử lý, mở ra tiềm năng thu hồi nhiên liệu trung hòa carbon như một sản phẩm phụ và triển khai các giải pháp chống ô nhiễm trên quy mô rộng lớn.

Dù toàn bộ các ứng dụng công nghiệp vẫn đang dừng lại ở mức giả thuyết khoa học, nhưng hiểu biết sâu sắc về cơ chế vận hành của màng sinh học chắc chắn sẽ cung cấp thêm vũ khí sắc bén giúp con người kiểm soát và vô hiệu hóa những màng vi khuẩn gây hại trong tương lai.