DNA cổ đại hé lộ lịch sử chưa từng biết của ngô

Sau nhiều năm khai quật, xác định niên đại lõi ngô bằng đồng vị phóng xạ carbon và nhiều phương pháp nghiên cứu khảo cổ học truyền thống, hiện nay các nhà nghiên cứu đang chuyển sang phương pháp ADN cổ đại để thu thập thêm nhiều chi tiết mới về lịch sử của cây ngô.

Vào đầu những năm 2000, các nhà khảo cổ học bắt đầu khai quật một hầm trú ẩn bằng đá ở vùng cao nguyên phía Tây Nam Honduras, một quốc gia ở Trung Mỹ, nơi lưu trữ hàng nghìn lõi ngô và các di tích thực vật khác từ 11.000 năm trước. Các nhà khoa học sử dụng những thực vật cổ này để tìm hiểu về chế độ ăn, cách sử dụng đất và kinh doanh của các cộng đồng người cổ đại.

Trong một bài báo được công bố gần đây trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, các nhà khoa học đã phân tích ADN từ lõi ngô 2.000 năm tuổi và phát hiện con người đã đưa các giống ngô cải tiến và thuần hóa từ Nam Mỹ vào Trung Mỹ từ hàng nghìn năm trước. Các nhà khảo cổ học đã biết từ trước rằng ngô thuần hóa được vận chuyển về phía Nam, nhưng những phát hiện mới này cung cấp bằng chứng đầu tiên cho thấy việc buôn bán và vận chuyển ngô đi theo cả hai chiều.

Lõi ngô có niên đại từ 4.000 năm (trái) đến 1.000 năm (phải). (Ảnh: Thomas Harper).

Các nhà nghiên cứu tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Quốc gia Mỹ Smithsonian và khắp nơi trên thế giới chỉ mới bắt đầu khai thác tiềm năng của ADN cổ đại - phương pháp trích xuất được toàn bộ bộ gene từ vật liệu cổ. Phương pháp này đã mở ra cánh cửa cho một loạt câu hỏi nghiên cứu mới và thổi luồng sinh khí mới vào các mẫu khảo cổ cũ, dù là từ nghiên cứu thực địa hay các mẫu vật bị bỏ quên trong bảo tàng.

Ráp nối ADN

ADN được “đóng gói” trong mỗi tế bào của chúng ta và chúng lưu giữ mã di truyền của sự sống. Phân tử phức tạp này có hình dạng như một cái thang xoắn. Mỗi bậc tạo thành từ hai phân tử bổ sung cho nhau, được gọi là một cặp bazơ. Con người có khoảng ba tỷ cặp bazơ tạo nên một ADN. Và toàn bộ trình tự ADN, với từng ADN ở đúng vị trí của nó, được gọi là bộ gene. Các nhà khoa học có thể thu được dữ liệu chi tiết về một sinh vật nhất định từ toàn bộ bộ gene, nhưng quá trình thu thập thông tin về bộ gene bị ảnh hưởng rất nhiều bởi tác động của thời gian lên mẫu vật.

“Trong mỗi tế bào, ADN luôn bị tấn công bởi các tác động hóa học và vật lý”, Logan Kistler, tác giả chính của nghiên cứu mới, người phụ trách ngành khảo cổ học và sinh vật học tại Smithsonian cho biết. “Trong tế bào sống, ADN có thể dễ dàng sửa chữa. Nhưng sau khi một sinh vật chết đi, những quá trình sửa chữa đó sẽ ngừng hoạt động”. Kết quả là, ADN bắt đầu bị phá vỡ thành các đoạn nhỏ hơn và nhỏ hơn nữa cho đến khi biến mất hoàn toàn. Sự phân hủy theo thời gian này là thách thức lớn nhất đối với các nhà khoa học khi cố gắng giải trình tự toàn bộ bộ gene từ các mẫu vật hoặc mô cũ không được bảo quản tốt.

“Các nhà khoa học phải lấy những đoạn ADN rất nhỏ này và cố gắng ghép chúng lại với nhau để tạo thành một đoạn dài 1.000 mảnh”, Melissa Hawkins, nhà nghiên cứu ADN cổ đại của động vật có vú tại Smithsonian cho biết. “Giống như cố gắng sắp xếp lại thứ tự đúng cho một cuốn sách từ các cụm từ đã bị tách rời”.

Vì thế các nhà nghiên cứu rất khó giải trình tự toàn bộ bộ gene từ các ADN cổ đại. Cho đến khoảng năm 2008, khi xuất hiện một phương pháp mới để giải trình tự ADN. Kể từ đó, công nghệ và khả năng tái tạo chuỗi ADN cổ đại đã phát triển nhanh chóng.

Tuy nhiên, công nghệ tái tạo ADN cổ đại cho đến nay vẫn còn nhiều thách thức. Kistler và các đồng nghiệp đã thu thập 30 lõi ngô từ hàng nghìn bắp ngô trong hầm trú ẩn El Gigante ở Honduras. Vật liệu này có niên đại từ khoảng 2.000 năm đến 4.000 năm. Trong số 30 lõi ngô mà các nhà nghiên cứu đã cố gắng chiết xuất ADN, chỉ có ba trong số các mẫu 2.000 năm tuổi còn đủ nguyên vẹn để tái tạo toàn bộ bộ gene. Một số mẫu khác cung cấp các đoạn ADN ngắn hơn, nhưng hầu hết các lõi ngô không còn lại bất kỳ vật liệu di truyền nào có thể sử dụng được sau hàng nghìn năm phân hủy.

Vấn đề lớn thứ hai mà các nhà nghiên cứu gặp phải khi làm việc với ADN cổ đại là sự pha tạp. Kistler nói: “Mọi thứ đang sống đều là một nhà máy sản xuất ADN. Khi làm việc với các mẫu hàng nghìn năm tuổi, các nhà nghiên cứu thực hiện thêm các biện pháp phòng ngừa để tránh trộn lẫn ADN hiện đại vào mẫu vật cổ. Họ mặc những bộ quần áo khử trùng và làm việc trong một phòng thí nghiệm áp suất dương, kín gió được thiết kế đặc biệt để làm việc với ADN cổ đại".

Khả năng vô tận

Khả năng giải trình tự toàn bộ bộ gene từ hàng nghìn năm trước đã cho phép các nhà nghiên cứu đặt ra những câu hỏi nghiên cứu mới, vốn không thể trả lời bằng cách sử dụng các gene riêng lẻ hoặc các đoạn ADN nhỏ.

“Một bộ gene bao gồm các yếu tố di truyền có nguồn gốc từ vài trăm bộ gene tổ tiên, vì vậy nó giống như một đường hầm thời gian, giúp các nhà khoa học theo dõi sự biến đổi của một loài sinh vật nhất định”, Kistler nói. Đối với các loại cây trồng quan trọng như ngô, điều này nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu các gene liên quan đến quá trình thuần hóa, xác định thời điểm và cách thức con người thay đổi giống ngô theo thời gian. Kéo theo đó là những hiểu biết về cuộc sống thời cổ đại, chẳng hạn như cách sử dụng đất và kinh doanh cây trồng.

Đồng tác giả Douglas Kennett từ Đại học California, Santa Barbara cho biết: “Việc giải trình tự toàn bộ bộ gene của các vật liệu cổ đại đang cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về quá khứ. Các tác giả đã đào sâu vào toàn bộ hệ gene để biết thông tin về quá trình thuần hóa ngô diễn ra như thế nào và buôn bán giữa những vị trí nào”.

Trước khi có kết quả mới này, nhiều người cho rằng ngô chủ yếu được vận chuyển về phía Nam. Các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi biết rằng các giống ngô thuần hóa và cải tiến cũng được đưa từ Nam Mỹ trở lại miền Bắc. Kennett nói: “Chúng tôi chỉ có thể biết điều này thông qua giải trình tự toàn bộ bộ gene”. Tiếp theo, các nhà khoa học có kế hoạch xác định thời điểm cụ thể mà số ngô này đã di chuyển và liệu việc vận chuyển này liên quan gì với những thay đổi xã hội rộng lớn hơn ở châu Mỹ thời tiền thuộc địa.

Nhiều ứng dụng

Những tiến bộ công nghệ ADN cổ đại cũng giúp tận dụng lại các mẫu vật trong bảo tàng. Các nhà khoa học cũng đang sử dụng bộ gene cổ đại để nghiên cứu cách con người ảnh hưởng đến kích thước quần thể động thực vật theo thời gian, sự đa dạng của các loài và mức độ liên quan chặt chẽ giữa các sinh vật với nhau. Họ thậm chí mong đợi phát hiện ra những loài mới vẫn đang tồn tại đến ngày nay.

Để giúp việc trích xuất và giải trình tự ADN từ các mẫu vật cũ một cách dễ dàng hơn, Smithsonian đang trong quá trình xây dựng một phòng thí nghiệm ADN lịch sử. Không gian này, tách biệt với phòng thí nghiệm ADN cổ đại, sẽ cho phép các nhà nghiên cứu tập trung vào các bộ sưu tập mẫu vật cũ hơn với chất lượng mô không hoàn hảo.

Cập nhật: 20/01/2021 Theo KHPT