Các sợi CorM được đánh dấu huỳnh quang bên trong Anabaena. Chúng đại diện cho một bộ khung tế bào mới được phát hiện trong vi khuẩn lam đa bào.

Vi khuẩn quang hợp đóng vai trò quan trọng trong việc định hình Trái đất như chúng ta biết ngày nay. Trong số đó, vi khuẩn lam nổi bật nhờ khả năng sản sinh oxy lấp đầy bầu khí quyển và cho phép sự sống phức tạp xuất hiện. Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) đã phát hiện ra một bước ngoặt đáng ngạc nhiên trong cách thức hoạt động của các sinh vật này. Một hệ thống sinh học từng được cho là có chức năng tách DNA giờ đây đã tiến hóa để kiểm soát hình dạng của tế bào vi khuẩn lam. Phát hiện này, được công bố trên tạp chí Science, cung cấp những hiểu biết mới về cách thức các hệ thống protein thay đổi theo thời gian và cách thức sự sống đa bào phát triển trong các vi khuẩn quan trọng về mặt sinh thái này.

"Vi khuẩn lam về cơ bản là những người tiên phong trong quá trình quang hợp tạo ra oxy", Benjamin Springstein, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm Loose tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) cho biết.

"Chúng chịu trách nhiệm cho Sự kiện Oxy hóa Vĩ đại khoảng 2,5 tỷ năm trước, khi oxy tích tụ trong khí quyển và tạo điều kiện cho sự sống hiếu khí. Nếu không có chúng, chắc chắn rằng không ai trong chúng ta có mặt ở đây ngày nay."

Ngay cả ngày nay, vi khuẩn lam vẫn đóng vai trò thiết yếu đối với sự sống trên Trái đất. Chúng đóng góp rất lớn vào sinh khối toàn cầu và giữ vai trò trung tâm trong chu trình carbon và nitơ. Những sinh vật này có khả năng thích nghi cao, sống trong điều kiện khắc nghiệt từ suối nước nóng đến Bắc Cực, cũng như trên các bề mặt như mái nhà và tường trong các thành phố. Một loài cụ thể, Anabaena sp. PCC 7120 (hay đơn giản là Anabaena), đã được nghiên cứu trong hơn ba thập kỷ và được dùng làm mô hình để hiểu về vi khuẩn lam đa bào.

Springstein đã làm việc với nhóm của Giáo sư Martin Loose cùng với các cộng tác viên từ ISTA, Viện Pasteur de Montevideo (Uruguay), Đại học Kiel (Đức) và Đại học Zürich (Thụy Sĩ). Cùng nhau, họ phát hiện ra rằng Anabaena, và có thể cả các vi khuẩn lam đa bào khác, đã trải qua một sự thay đổi tiến hóa lớn. Một hệ thống cổ xưa từng được sử dụng để tách DNA trong quá trình phân chia tế bào đã được tái sử dụng thành một cấu trúc giống như bộ khung tế bào, giúp xác định hình dạng tế bào.

Giống như tất cả các loại vi khuẩn, Anabaena sinh sản bằng cách phân chia thành các tế bào mới. Quá trình này phụ thuộc vào việc sao chép và phân phối DNA một cách chính xác để mỗi tế bào mới nhận được thông tin di truyền cần thiết để tồn tại. DNA được đóng gói chặt chẽ trong các nhiễm sắc thể, tương tự như sợi chỉ quấn quanh một cuộn chỉ, và thường có nhiều bản sao cần được truyền lại một cách đáng tin cậy trong quá trình phân chia.

ADN của vi khuẩn tồn tại ở hai dạng chính. Nhiễm sắc thể chứa các gen thiết yếu cần thiết cho sự sống còn, trong khi plasmid mang các gen bổ sung thường không thiết yếu. Plasmid có thể di chuyển giữa các vi khuẩn, cho phép các đặc điểm lan truyền nhanh chóng và tạo điều kiện cho sự thích nghi nhanh.

Springstein đã nghiên cứu về loài giun Anabaena từ năm 2014, tìm hiểu về sinh học và sự tiến hóa của nó. Trong thời gian đại dịch COVID-19, khi công việc trong phòng thí nghiệm tạm dừng, ông đã dành thời gian xem xét các tài liệu khoa học và nhận thấy một điều bất ngờ.

Ông phát hiện ra rằng Anabaena và một số vi khuẩn lam có liên quan chứa một hệ thống được gọi là ParMR được mã hóa trong nhiễm sắc thể của chúng. Theo truyền thống, hệ thống này được liên kết với sự phân tách plasmid và chỉ được tìm thấy trên plasmid, là các yếu tố di truyền di động. Vị trí bất thường này khiến ông nghi ngờ rằng hệ thống này có thể đã thích nghi để nằm trên các nhiễm sắc thể riêng biệt.

Sau khi gia nhập ISTA với tư cách là Nghiên cứu sinh IST-Bridge, Springstein bắt đầu thử nghiệm ý tưởng này. Các thí nghiệm của ông đã tiết lộ điều rất khác biệt. Một thành phần, ParR, không còn liên kết với DNA nữa. Thay vào đó, nó gắn vào màng lipid, đặc biệt là màng trong của tế bào. Trong khi đó, ParM không tạo thành các cấu trúc trong tế bào chất để di chuyển DNA. Thay vào đó, nó tạo ra các mạng lưới sợi ngay bên dưới màng trong, tạo thành một lớp polymer protein giống như vỏ tế bào.

Thay vì hoạt động như một hệ thống phân tách DNA điển hình tạo thành các cấu trúc giống như thoi phân bào bên trong tế bào, hệ thống này hoạt động ở cấp độ màng tế bào và dường như có vai trò tổ chức cấu trúc tế bào.

Để hiểu rõ hơn cách thức hoạt động của hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã tái tạo nó bên ngoài tế bào sống bằng cách sử dụng các thành phần tinh khiết. Trong các thí nghiệm tái tạo trong ống nghiệm này, họ quan sát thấy các sợi thể hiện sự bất ổn động học. Chúng phát triển và sau đó nhanh chóng sụp đổ, một hành vi tương tự như các vi ống trong các tế bào phức tạp hơn.

Để nghiên cứu sâu hơn, nhóm đã hợp tác với Giáo sư Florian Schur của ISTA và nghiên cứu sinh tiến sĩ Manjunath Javoor. Sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh, cho phép các nhà khoa học quan sát cấu trúc phân tử với độ chi tiết cao, họ đã kiểm tra cách các sợi này được hình thành. Họ phát hiện ra rằng, không giống như các sợi phân cực được hình thành bởi các hệ thống tương tự trong các vi khuẩn khác, các sợi trong Anabaena là lưỡng cực, có nghĩa là chúng có thể phát triển và co lại từ cả hai đầu.

Chức năng thực sự của hệ thống này trở nên rõ ràng khi nó được tách ra khỏi các tế bào sống.

"Các tế bào thiếu hệ thống này đã mất đi hình dạng chữ nhật bình thường và thay vào đó trở nên tròn và phồng lên", Springstein giải thích. Những thay đổi này thường được quan sát thấy khi các gen chịu trách nhiệm duy trì hình dạng tế bào bị rối loạn ở các vi khuẩn khác. Điều này cho thấy rõ ràng rằng vai trò chính của hệ thống là kiểm soát cấu trúc tế bào chứ không phải quản lý sự phân bố DNA.

Do chức năng và vị trí mới của nó trong tế bào, các nhà nghiên cứu đã đổi tên hệ thống này thành "CorMR".

Vi khuẩn lam đa bào tiến hóa dần dần từ tổ tiên đơn bào, ngày càng trở nên phức tạp hơn theo thời gian. Phân tích tin sinh học của cộng tác viên Daniela Megrian từ Viện Pasteur ở Montevideo, Uruguay, đã giúp làm sáng tỏ quá trình hình thành hệ thống CorMR.

Sự biến đổi này không diễn ra cùng một lúc. Thay vào đó, nó có thể đã xảy ra thông qua một chuỗi các thay đổi. Đầu tiên, hệ thống chuyển từ plasmid sang nhiễm sắc thể. Tiếp theo, các thành phần của nó thay đổi về kích thước và cấu trúc. Sau đó, nó phát triển khả năng liên kết với màng tế bào. Cuối cùng, nó chịu sự kiểm soát của một hệ thống protein bổ sung. Nhờ sự kết hợp của các bước này, một cơ chế phân tách DNA cổ xưa đã được chuyển đổi thành một hệ thống định hình chính tế bào.