“Tất cả các dạng sống trên Trái đất đều có chung một vấn đề,” Jonathan Kagan, một nhà nghiên cứu miễn dịch học tại Bệnh viện Nhi Boston. "Và đó là đối phó với nhiễm trùng." Cũng giống như chúng ta lo lắng về các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn, vi khuẩn đang theo dõi các vi rút được gọi là phage lây nhiễm chúng, và - giống như mọi sinh vật trên mọi vương quốc của sự sống - chúng đã phát triển một kho công cụ phân tử để chống lại nhiễm trùng.
Những sinh vật lớn, phức tạp như con người có thể tấn công hệ thống miễn dịch khổng lồ của các tế bào chuyên biệt để phát hiện hoặc tiêu diệt những kẻ xâm lược. Các sinh vật đơn giản hơn như thực vật và vi khuẩn thường cần dựa vào các bộ protein đa nhiệm thay vì các loại dao của Quân đội Thụy Sĩ, được trang bị cho cả hai công việc. Bởi vì phòng thủ là mối quan tâm phổ biến, không có gì ngạc nhiên khi nhiều hệ thống phòng thủ trong số này đã được bảo tồn thông qua quá trình tiến hóa và được chia sẻ giữa các sinh vật đa dạng, bao gồm cả con người.
Nhưng một nghiên cứu mới được xuất bản trong tháng này trong Khoa học đã phát hiện ra rằng một họ protein trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ, những tế bào nhân sơ đơn giản là dạng sống lâu đời nhất, phát hiện virus theo cách chưa từng thấy trước đây.
Rất phù hợp
Do những tiến bộ trong kỹ thuật xác định trình tự gen và thông tin sinh học, nhiều biện pháp bảo vệ kháng vi-rút mà vi khuẩn sử dụng đã bắt đầu xuất hiện chỉ trong vòng 50 năm qua. Nhưng sự quan tâm đến chúng đã tăng lên trong thập kỷ qua do công cụ chỉnh sửa gen mạnh mẽ khai thác hệ thống CRISPR-Cas9 của vi khuẩn. Thành công của công cụ này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tập trung hơn vào cách các phân tử vi khuẩn nhận ra virus và loại bỏ chúng.
Một số biện pháp bảo vệ kháng vi-rút này, chẳng hạn như CRISPR-Cas9, nhận ra các trình tự cụ thể trong DNA mà một phage tiêm vào vật chủ của nó. Những người khác không trực tiếp cảm nhận được các mảnh vỡ của vi-rút nhưng phản hồi bằng chứng về tác hại mà vi-rút gây ra, chẳng hạn như DNA bị hư hỏng hoặc các quá trình tế bào bị trục trặc - tương đương phân tử của tấm kính vỡ tại hiện trường vụ đột nhập.
Nhưng các cảm biến miễn dịch của vi khuẩn được gọi là protein Avs cũng không làm được như các nhà nghiên cứu dẫn đầu Feng Zhang của Viện Công nghệ Massachusetts và Eugene Koonin của Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia hiện đã phát hiện ra. Các protein Avs có thể phát hiện trực tiếp các protein virus được sản xuất bởi máy móc bị xâm nhập của tế bào.
Giám sát protein là một chiến lược rủi ro đối với vi khuẩn: Ngay cả một vài đột biến cũng có thể khiến trình tự axit amin của protein không thể nhận dạng được, tạo điều kiện cho mầm bệnh thoát khỏi sự phát hiện. Hệ thống miễn dịch thích ứng ở người và các động vật có xương sống khác có thể đuổi theo các protein của virus vì chúng có thể triển khai hàng tỷ tế bào chuyên biệt để tiến hành tìm kiếm - một lựa chọn không mở đối với từng vi khuẩn.
Tuy nhiên, nhóm của Zhang phát hiện ra rằng protein Avs không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhỏ trong trình tự axit amin - hoặc bởi những chuỗi lớn, vì vấn đề đó. “Chúng tôi đã thử nghiệm 24 phage khác nhau, bao gồm chín họ phage,” nói Alex Cao, một nhà hóa sinh tại Đại học Stanford và là tác giả chính của bài báo, “và phát hiện ra rằng hầu như có sự kích hoạt toàn diện này” của Avs.
Các protein được nhắm mục tiêu trong các họ virus khác nhau có trình tự axit amin gần như hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều thực hiện cùng một công việc: tạo sợi DNA của virus và đóng gói chúng thành các hạt virus mới hình thành. Do đó, tất cả chúng đều giữ nguyên hình dạng chức năng.
Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng protein Avs tận dụng sự tương đồng phân tử này. Gao giải thích rằng các protein đã “nhận ra các nếp gấp và hình dạng ba chiều, chứ không phải là trình tự”. Protein Avs “về cơ bản bao bọc giống như một chiếc găng tay quanh bàn tay”. Loại nhận dạng cấu trúc 3D này “không có nhiều tiền lệ, theo như chúng ta biết, trong sinh học phân tử,” ông nói thêm.
Cách duy nhất để các protein virus này thoát khỏi sự phát hiện của Avs là biến đổi thành một hình dạng khó nhận biết. Nhưng “để thay đổi hình dạng mà không làm mất ổn định protein hoặc ảnh hưởng đến chức năng của nó trong thể thực khuẩn không phải là chuyện nhỏ,” Koonin nói.
Các kỹ năng nhận dạng bao bọc, linh hoạt của các protein Avs không chỉ giới hạn ở việc phát hiện các vi rút lây nhiễm vi khuẩn. Koonin nhớ lại việc hỏi Gao như một trò đùa rằng liệu các protein Avs có thể phát hiện ra herpesvirus ở động vật - họ hàng rất xa của các thể thực khuẩn được thử nghiệm trong bài báo hay không. Trước sự ngạc nhiên của mình, Gao trả lời: “Đúng vậy, chúng tôi đã làm được điều đó! Họ làm." Các protein Avs đã nhận ra các protein đóng gói DNA trong herpesvirus ở người, mặc dù khả năng nhận biết yếu hơn so với các phage của vi khuẩn.
“Đây là lần đầu tiên tôi biết rằng một yếu tố nhận dạng kẻ xâm lược có thể xác định các loại virus lây nhiễm cho các sinh vật ở xa như vậy,” nói Rotem Sorek, một nhà di truyền học vi sinh vật tại Viện Khoa học Weizmann, người không tham gia vào nghiên cứu.
Khi các protein Avs phát hiện ra các protein của virus, chúng có thể tấn công virus theo nhiều cách khác nhau - ít nhất một số cách trong số đó kết thúc bằng sự tự hủy diệt của vi khuẩn. Tự sát tế bào có vẻ không trực quan như một biện pháp phòng vệ, nhưng vi khuẩn thường sống thành các đàn có tính chất di truyền tương đồng mạnh. Bằng cách tự tiêu diệt, các tế bào bị nhiễm bệnh có thể bảo vệ những người hàng xóm về cơ bản là anh em sinh đôi của họ, điều này “có ý nghĩa hoàn hảo” như một chiến lược tiến hóa, Koonin nói.
Bên cạnh đó, vào thời điểm các protein của virus trở nên rõ ràng đối với khả năng phòng thủ của Avs trong vi khuẩn, thì virus đã tập hợp các bản sao của chính nó và sẽ sớm bùng phát ra khỏi tế bào bị nhiễm. Tại thời điểm đó, Sorek nói, "Dù sao thì thực khuẩn thể cũng không có lối thoát khỏi cái chết."
Giáo viên tí hon
Trong các nghiên cứu của họ về khả năng bảo vệ miễn dịch khác ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những điểm tương đồng nổi bật với những điểm tương đồng nổi bật trong các tế bào nhân chuẩn phức tạp hơn của con người và các sinh vật khác. Một số di truyền tương đồng về hình thức và chức năng đủ gần để gợi ý rằng chúng ta sinh vật nhân chuẩn trực tiếp thừa hưởng một số khả năng phòng thủ từ tổ tiên sinh vật nhân sơ của chúng ta.
Chúng ta có thừa hưởng bất cứ thứ gì của protein Avs hay không vẫn còn phải xem. Trong khi một loạt các cảm biến miễn dịch bẩm sinh của con người nhận ra các protein gây bệnh cụ thể, chưa ai tìm thấy bất cứ điều gì giống như nhận dạng hình dạng protein đang hoạt động trong các cảm biến miễn dịch bẩm sinh của chúng ta. Các protein Avs có một số điểm tương đồng về cấu trúc hấp dẫn với các phân tử phòng thủ nhất định của sinh vật nhân chuẩn, nhưng sự giống nhau đó có thể là sản phẩm của quá trình tiến hóa hội tụ và sức mạnh của việc nhận dạng mẫu như một chiến lược phòng thủ. Gao nói: “Có thể thiên nhiên thực sự thích tạo ra những [cảm biến miễn dịch] này vì nó hoạt động rất hiệu quả.
Với khả năng nhận dạng hình dạng protein hoạt động tốt như thế nào đối với vi khuẩn và vi khuẩn cổ, chúng ta có thể mong đợi thứ gì đó giống như protein Avs cuối cùng sẽ xuất hiện ở sinh vật nhân thực. Kagan cho rằng, nếu không có gì khác, khám phá này có thể khơi dậy sự quan tâm nghiên cứu các protein như mục tiêu của các phản ứng miễn dịch bẩm sinh.
Kagan nói: “Vi khuẩn đã không ngừng dạy chúng ta. “Họ dạy chúng tôi về sao chép DNA, họ dạy chúng tôi về sửa chữa DNA, họ dạy chúng tôi về phân chia tế bào, và bây giờ họ có thể dạy chúng tôi về khả năng miễn dịch.”
