Liệu một loại vi khuẩn khiêm tốn có thể nắm giữ chìa khóa để sống sót qua bức xạ vũ trụ?
Vi khuẩn Deinococcus radiodurans được xem là loài sinh vật duy nhất có khả năng lạ lùng: khôi phục lại bộ gene bị nứt làm hàng nghìn mảnh. Một nhóm các nhà nghiên cứu Pháp và Croatia do Miroslav Radman thuộc Viện INSERM (Pháp) dẫn đầu đã phát hiện những giai đoạn của sự phục hồi này cho phép con vi khuẩn sống lại sau khi trải qua mức độ bức xạ cực mạnh.
Vi khuẩn Deinococcus radioduran có khả năng khôi phục lại bộ gene bị nứt làm hàng nghìn mảnh.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Northwestern và Đại học Dịch vụ Đồng phục đã làm sáng tỏ cách mà loài vi khuẩn này tự bảo vệ mình: một chất chống oxy hóa đặc biệt gọi là MDP. Chất này được tổng hợp từ ba thành phần đơn giản nhưng hiệu quả cao - ion mangan, phốt phát, và một peptide tổng hợp. Khi kết hợp, chúng tạo ra một lớp phòng thủ vững chắc, giúp bảo vệ protein và tế bào khỏi sự tàn phá của bức xạ.
Theo giáo sư Michael Daly, chuyên gia về bệnh học tại Đại học Dịch vụ Đồng phục, cấu trúc phân tử này được xem như "nước sốt bí mật" của vi khuẩn Deinococcus radiodurans. Ông giải thích: "Decapeptide tương tác tuần tự với phốt phát và mangan để tạo ra một phức hợp bậc ba độc đáo, mang lại khả năng chống bức xạ cực kỳ hiệu quả".
Trong nhiều thập kỷ, cộng đồng khoa học tin rằng bức xạ giết chết tế bào chủ yếu thông qua việc phá hủy DNA. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng đó chỉ là một phần câu chuyện. Bức xạ không chỉ phá hủy DNA mà còn gây tổn hại nghiêm trọng đến proteome - hệ thống protein thiết yếu của tế bào. Các protein này đảm nhận nhiều nhiệm vụ quan trọng, từ sửa chữa tổn thương DNA đến điều tiết quá trình trao đổi chất. Khi các phân tử oxy phản ứng (ROS) được tạo ra bởi bức xạ, chúng tấn công trực tiếp vào protein, khiến tế bào không thể thực hiện các chức năng cơ bản, ngay cả khi DNA còn nguyên vẹn.
Deinococcus radiodurans đã phát triển một chiến lược đặc biệt để đối phó với vấn đề này. Nhờ vào các chất chống oxy hóa dựa trên mangan, vi khuẩn này trung hòa ROS trước khi chúng kịp làm hỏng proteome. Đây là yếu tố quyết định giúp nó sống sót trong môi trường khắc nghiệt như bức xạ vũ trụ hoặc lò phản ứng hạt nhân.
Vi khuẩn Deinococcus radiodurans đã được một nhà nghiên cứu Mỹ phát hiện vào năm 1956 khi định làm vô trùng các đồ hộp thịt bò bằng cách chiếu một tia bức xạ gamma cực mạnh. Ông đã tỏ ra ngạc nhiên khi ghi nhận loài vi khuẩn không chết dưới mức độ bức xạ này. Loài Deinococcus radiodurans có khả năng chịu được mức độ bức xạ cao gấp hàng trăm lần so với các liều gây chết người.
Bô gene của Deinococcus radiodurans có cấu trúc hình vòng bị vỡ thành hàng nghìn mảnh. Các nhà nghiên cứu ghi nhận rằng các tế bào có vẻ chết trong khoảng 1 tiếng rưỡi. Tuy nhiên 3 tiếng sau khi bị chiếu tia bức xạ, ADN của nó đã được ráp lại như cũ.
Vi khuẩn Deinococcus radiodurans.
Được phát hiện lần đầu tiên trong một hộp thịt, D. radiodurans vẫn sống sót và phát triển sau một năm sống trên bệ thiết kế đặc biệt bên ngoài khoang điều áp của Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS).
Các tế bào vi khuẩn bị khử nước và chuyển tới ISS, đặt ở Exposed Facility, phần bệ liên tục tiếp xúc với môi trường vũ trụ. Trong trường hợp này, những tế bào nằm sau khung cửa kính có thể chặn tia UV ở bước sóng thấp hơn 190 nanomet. Nhóm nghiên cứu đến từ Áo, Nhật Bản và Đức công bố phát hiện trên tạp chí Microbiome.
"Kết quả trình bày trong nghiên cứu này có thể gia tăng nhận thức về các biện pháp bảo vệ trên hành tinh khác. Ví dụ, khí quyển sao Hỏa hấp thụ bức xạ UV dưới 190 - 200 nm. Để mô phỏng điều kiện này, thí nghiệm do chúng tôi thiết lập trên ISS bao gồm một cửa kính bằng silicon dioxide", nhóm nghiên cứu cho biết.
Đây không phải thời gian dài nhất D. radiodurans tồn tại ngoài không gian. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu không tìm cách lập kỷ lục thế giới mà hướng tới khám phá điều gì khiến D. radiodurans lại sống tốt trong điều kiện cực hạn như vậy. Sau một năm để mẫu vật tiếp xúc với bức xạ, nhiệt độ đông cứng và siêu nóng, không trọng lực, các nhà nghiên cứu đưa loài vi khuẩn này về Trái đất, cấp nước cho cả mẫu kiểm tra trên Trái đất và mẫu vật ở Quỹ đạo thấp của Trái đất (LEO).
Tỷ lệ sống sót của vi khuẩn LEO trong mẫu vật thấp hơn nhiều so với mẫu kiểm tra, nhưng những vi khuẩn sống sót dường như rất ổn, dù trở nên hơi khác biệt so với loại trên Trái đất. Nhóm nghiên cứu nhận thấy vi khuẩn LEO có những mấu lồi nhỏ bao phủ khắp bề mặt. Chúng cũng kích hoạt một số cơ chế tự sữa chữa. Đồng thời, một số protein và mARN cũng trở nên dồi dào hơn.
Các nhà khoa học không biết chính xác tại sao mấu lồi hình thành nhưng họ có vài giả thuyết.Mấu lồi có thể đóng vai trò như phản ứng nhanh với áp lực, giúp tăng cường khả năng sống sót của tế bào bằng cách rút bớt áp lực. Ngoài ra, mấu lồi ở màng ngoài có thể chứa protein quan trọng đối với thu thập dưỡng chất, chuyển ADN, vận chuyển độc tố và phân tử cảm ứng mật độ, thúc đẩy kích hoạt cơ chế đề kháng sau khi ở ngoài không gian.
Vào tháng 8/2020, nghiên cứu được thực hiện trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) đã phát hiện rằng vi khuẩn Deinococcus radiodurans có thể tồn tại trong vũ trụ ít nhất ba năm. Nhiều người tin rằng khám phá này đã củng cố về “panspermia” - giả thuyết cho rằng sự sống tồn tại khắp vũ trụ và được phân bổ theo những cách khác nhau.
Bà Anne Kinney, Giám đốc Chương trình tìm kiếm nguồn gốc và hệ thống hành tinh của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA), cho biết: “Chúng ta có thể là thế hệ khám phá được nguồn gốc của sự sống. Liệu rằng chúng ta có phải là trung tâm của vũ trụ hay không?”.
Khả năng chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt và tự phục hồi sau đó của Deinococcus radiodurans đã trở thành mục tiêu nghiên cứu rộng rãi. Giới sinh vật học hy vọng có thể vận dụng cơ chế vượt trội của chủng vi khuẩn này để giúp con người chống lại bức xạ tốt hơn hoặc để xử lý chất thải độc hại.
Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể xác định môi trường sống tự nhiên của Deinococcus radiodurans là gì, vì nó đã được tìm thấy tại vô số môi trường, kể cả trong phân voi và đá granit ở Nam Cực.
Nhiều thập kỷ sau khi được phát hiện, Deinococcus radiodurans vẫn giữ vững kỷ lục Guinness cho loại “vi khuẩn sống dai nhất thế giới”. Nó cũng được coi là sinh vật có khả năng kháng thuốc tốt nhất từng được phát hiện.