Virus định hình thế giới của chúng ta? (Phần 1)

Mặc dù được coi là tác nhân gây bệnh, virus cũng định hình sự tiến hóa ngay từ đầu. Khoảng 8% DNA của chúng ta đến từ virus đã lây nhiễm cho tổ tiên, chúng chèn các gene virus vào bộ gene của chúng ta. Một số gene này đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu của phôi thai đang phát triển và nhau thai.

Hãy tưởng tượng Trái đất không có virus

Nếu điều này xảy ra, nó sẽ làm giảm đáng kể sự khốn khổ và cái chết của con người. Chúng ta hãy thử điểm qua: HIV biến mất nên thảm họa AIDS không bao giờ xảy ra; tất cả các rotavirus, những tác nhân khiến hàng trăm nghìn người tử vong mỗi năm tuyệt chủng; Herpes B, do một số con khỉ mang, thường gây tử vong khi truyền sang người cũng biến mất; không ai bị thủy đậu, viêm gan, bệnh zona, hoặc thậm chí cảm lạnh thông thường nữa… Còn Variola, tác nhân của bệnh đậu mùa? Loại virus đó đã bị tiêu diệt trong tự nhiên vào năm 1977, nhưng giờ đây nó đã biến mất khỏi tủ đông lưu trữ bảo mật cao, nơi tồn tại cuối cùng của chúng. Virus SARS năm 2003, báo hiệu kỷ nguyên đại dịch hiện đại, cũng biến mất. Và tất nhiên, virus SARS-CoV-2, gây ra Covid-19 và có nhiều biến đổi đáng kinh ngạc, rất khôn lanh, nguy hiểm, rất dễ lây truyền cũng biến mất. Bạn có cảm thấy thế giới như vậy sẽ tốt hơn?

Thực ra là không.

Kịch bản này phức tạp hơn bạn nghĩ. Thực tế là chúng ta đang sống trong một thế giới của virus bởi riêng các đại dương chứa nhiều hạt virus hơn các ngôi sao trong vũ trụ mà loài người quan sát được. Chúng ta biết là động vật có vú có thể mang ít nhất 320.000 loài virus khác nhau. Khi ta cộng thêm các virus động vật không có vú, thực vật, vi khuẩn trên cạn và mọi vật chủ có thể có khác, tổng số lên đến… rất rất nhiều. Nhiều loại virus trong số đó mang lại lợi ích thích nghi cho sự sống trên Trái đất, bao gồm cả đời sống con người, chứ không gây hại.

Thật ra, chúng ta không thể tiếp tục tồn tại trên trái đất này mà không có chúng, thậm chí chúng ta  không thể tiến hóa nếu không có chúng. Chẳng hạn, có hai đoạn DNA có nguồn gốc từ virus giờ đây nằm trong bộ gene của người và các loài linh trưởng khác, và đáng kinh ngạc là nếu không có hai đoạn DNA này thì việc mang thai không thể xảy ra. Vẫn còn những gene khác được đồng chọn từ virus góp phần vào sự phát triển của phôi, điều chỉnh hệ thống miễn dịch, chống lại bệnh ung thư - những tác động quan trọng chỉ mới bắt đầu được hiểu gần đây. Hóa ra, virus đã đóng những vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các quá trình chuyển đổi tiến hóa lớn. 


Một thợ lặn tại Aquarium of the Pacific ở Long Beach, California, đưa ra hình ảnh của một loại virus của vi khuẩn của một con cá mập vằn bơi ngang qua. Chúng rất quan trọng đối với hệ sinh thái biển. Nguồn ảnh: Craig Cutler 

Virus là một loại ký sinh trùng, chúng ta không thể phủ nhận điều này. Nhưng đôi khi sự ký sinh đó giống như sự cộng sinh, mang lại lợi ích cho cả hai. Giống như lửa, virus vừa tốt lại vừa xấu, có thể mang lại lợi ích hoặc phá hủy. Mọi thứ phụ thuộc vào virus, vào tình huống, và cả vào góc nhìn của bạn nữa. Chúng thực sự là những thiên thần bóng tối của sự tiến hóa, tuyệt vời hoặc khủng khiếp. Và rõ ràng là chúng rất thú vị.

Để đánh giá cao tính đa dạng của virus, ta cần bắt đầu với những điều cơ bản về chúng là gì và không phải là gì. 

Chúng không phải là tế bào sống. Tế bào phải chứa bộ máy phức tạp để xây dựng và đóng gói protein, năng lượng cũng như thực hiện các chức năng chuyên biệt khác - tùy thuộc vào loại tế bào. Vi khuẩn cũng là một tế bào, có các thuộc tính tương tự, mặc dù đơn giản hơn nhiều. Trong khi đó, virus không phải là như vậy.

Chỉ nói virus là gì đã đủ phức tạp đến mức các định nghĩa đã thay đổi trong 120 năm qua. Martinus Beijerinck, một nhà thực vật học người Hà Lan, người đã nghiên cứu virus khảm thuốc lá, đã suy đoán vào năm 1898 rằng nó là một chất lỏng lây nhiễm. Trong một thời gian, virus được xác định chủ yếu theo kích thước của nó - một thứ nhỏ hơn nhiều so với vi khuẩn nhưng cũng giống như vi khuẩn, có thể gây bệnh. Tuy nhiên sau đó, một loại virus được cho là một tác nhân siêu nhỏ, chỉ mang một bộ gene rất nhỏ, nhân lên bên trong tế bào sống - nhưng đó chỉ là bước đầu tiên để hiểu rõ hơn.

“Tôi sẽ bảo vệ một quan điểm có vẻ nghịch lý”, nhà vi trùng học người Pháp André Lwoff đã viết trong “Khái niệm về virus ”, một bài luận có ảnh hưởng được xuất bản vào năm 1957, “cụ thể thì virus là virus”. Đây không phải là một định nghĩa quá hữu ích, nhưng là một cách nói khác để cho thấy chúng là “duy nhất” trong một hành tinh có sự sống. 

Lwoff biết rằng virus dễ mô tả hơn là định nghĩa. Mỗi hạt virus bao gồm một đoạn các chỉ dẫn di truyền (DNA hoặc RNA) được đóng gói bên trong một viên nang protein (được gọi là vỏ capsid). Trong một số trường hợp, capsid được bao quanh bởi một lớp màng bao, bảo vệ nó và giúp nó bắt giữ tế bào. Virus chỉ có thể sao chép chính nó bằng cách xâm nhập vào một tế bào và lợi dụng chúng để biến thông tin di truyền thành protein.


Một hộp sọ hoàn chỉnh nhất của người Neanderthal từng được tìm thấy, trưng bày trong bảo tàng Musée de l’Homme ở Paris. Khi người hiện đại rời châu Phi, họ lai với người Neanderthal và ngay lập tức có được các gene đã tiến hóa qua hàng trăm nghìn năm. Các nhà khoa học đã tìm thấy 152 gene di truyền từ người Neanderthal (trong người hiện đại) giúp tạo ra phản ứng miễn dịch. Những gene này cho phép tổ tiên của chúng ta chống lại các loại virus mới gặp phải khi di cư tới châu Âu thời đó.

Nếu tế bào chủ không may mắn kháng cự được cuộc tấn công đó, nhiều hạt virus mới sẽ được tạo ra, bắt đầu cuộc xâm chiếm khiến tế bào chỉ còn lại như một đống đổ nát. Thiệt hại đó- chẳng hạn như những gì SARS-CoV-2 gây ra trong các tế bào biểu mô của đường thở của con người - một phần là cách virus trở thành mầm bệnh.

Nhưng nếu tế bào vật chủ may mắn, có thể virus chỉ đơn giản định cư vào tiền đồn ấm cúng này, hoặc không hoạt động hoặc tái cấu trúc bộ gene nhỏ của nó vào bộ gene của vật chủ. Khả năng thứ hai này mang nhiều ý nghĩa đối với sự pha trộn của các bộ gene, đối với tiến hóa. Trong một cuốn sách nổi tiếng năm 1983, nhà sinh vật học người Anh Peter Medawar và vợ ông, Jean, một biên tập viên, đã khẳng định, “Không có virus nào được coi là tốt cả: Người ta đã nói rõ rằng virus là một thứ thông tin xấu được gói gọn trong protein”. Họ đã sai. Rất nhiều nhà khoa học vào thời đó cũng vậy, và có thể ngày nay bất kỳ ai chỉ có kiến thức về virus thông qua những tin xấu như bệnh cúm hay Covid-19 cũng nghĩ như vậy. Nhưng ngày nay một số loại virus được biết là có ảnh hưởng tốt.

Những con virus đầu tiên đến từ đâu?

Điều này đòi hỏi chúng ta phải nhìn lại gần bốn tỷ năm, khi sự sống trên Trái đất chỉ mới khởi thủy từ một “lò nung” gồm các phân tử dài, các hợp chất hữu cơ đơn giản và năng lượng.

Giả sử một số phân tử dài (có thể là ARN) bắt đầu tái tạo. Quá trình chọn lọc tự nhiên theo lý thuyết của Darwin sẽ bắt đầu từ khi chúng được tái tạo, đột biến và tiến hóa. Để tìm kiếm “lợi thế cạnh tranh”, một số có thể đã tìm thấy hoặc tạo ra sự bảo vệ bên trong bằng màng và thành, giúp hình thành những tế bào đầu tiên. Những tế bào này đã sinh ra con cái bằng cách phân hạch hoặc tách đôi. Chúng cũng tách ra theo một nghĩa rộng hơn, phân tách để trở thành Vi khuẩn và Cổ khuẩn, hai trong ba lĩnh vực của sự sống tế bào. Thứ ba, Eukarya (nhân thực), xuất hiện sau đó. Chúng bao gồm chúng ta và tất cả các sinh vật khác (động vật, thực vật, nấm, một số vi sinh vật ) được cấu tạo bởi các tế bào có cấu tạo giải phẫu bên trong phức tạp. Đó là ba nhánh lớn trên gốc cây sự sống, như được vẽ hiện nay.

Nhưng virus ở đâu? Chúng có phải là chi chính thứ tư không? Hay chúng là một loại dạng “cây tầm gửi”, một loại ký sinh trùng từ nơi khác đến? Hầu hết các phiên bản của cây sự sống loại bỏ hoàn toàn virus.

Một trường phái khẳng định rằng không nên đưa virus vào cây sự sống vì chúng không sống. Đó là một cuộc tranh cãi kéo dài, xoay quanh cách bạn định nghĩa “còn sống”. Hấp dẫn hơn là cho phép đưa virus vào trong cái khung khái niệm lớn có tên là Sự sống, và sau đó tự hỏi về cách chúng xâm nhập vào.

Có ba giả thuyết hàng đầu để giải thích nguồn gốc tiến hóa của virus. Giả thuyết đầu tiên cho rằng virus đã tồn tại trước các tế bào, bằng cách nào đó tự tập hợp trực tiếp từ “lò” nguyên thủy. Giả thuyết thứ hai đặt ra rằng các gene hoặc đoạn gene bị rò rỉ ra khỏi tế bào, và được bao bọc trong các nắp protein, sau đó đi lừa, tìm ra một ngách mới là ký sinh trùng. Giả thuyết thứ ba cho rằng virus có nguồn gốc khi một số tế bào phải giảm kích thước dưới áp lực cạnh tranh (chúng sẽ dễ dàng tái tạo hơn nếu chúng nhỏ và đơn giản), loại bỏ các gene cho đến khi chúng được giảm thiểu đến mức chỉ bằng cách ký sinh các tế bào khác thì chúng mới có thể tồn tại. 
Ngoài ra còn có một giả thuyết thứ tư, được gọi là giả thuyết chimeric, lấy cảm hứng từ một loại yếu tố di truyền khác: transposon (gene nhảy). Nhà di truyền học Barbara McClintock đã suy luận về sự tồn tại của chúng vào năm 1948, một khám phá đã mang lại cho bà giải Nobel. Những yếu tố cơ hội này tiến hóa thành công theo thuyết Darwin chỉ đơn giản bằng cách chuyển từ phần này sang phần khác của bộ gene, trong một số trường hợp hiếm hoi là từ tế bào này sang tế bào khác, thậm chí là loài này sang loài khác, sử dụng tài nguyên tế bào để tự sao chép lặp đi lặp lại. Tự sao chép bảo vệ chúng khỏi sự tuyệt chủng. Chúng tích lũy một cách kỳ lạ. Ví dụ, chúng cấu thành gần một nửa bộ gene của con người. Theo ý tưởng này, các virus sớm nhất có thể đã phát sinh từ các yếu tố như vậy bằng cách mượn protein từ tế bào để bọc bên trong lớp vỏ bọc bảo vệ, một chiến lược phức tạp hơn.


Mimivirus. 

Mỗi giả thuyết này đều có giá trị. Nhưng vào năm 2003, bằng chứng mới đã làm nghiêng ngả ý kiến ​​của các chuyên gia về giả thuyết thứ ba: virus khổng lồ. Nó được tìm thấy trong amip, là sinh vật nhân thực đơn bào. Những con amip này được lấy trong nước lấy từ một tháp ở Bradford, Anh. Bên trong một số chúng là đốm màu bí ẩn. Nó đủ lớn để có thể nhìn thấy qua kính hiển vi (virus được cho là quá nhỏ, chỉ có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử), và nó trông giống như một vi khuẩn. Các nhà khoa học đã cố gắng tìm kiếm các gene vi khuẩn bên trong nó nhưng không tìm thấy.

Cuối cùng, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Marseille, Pháp, đã để thứ lây nhiễm này tiếp xúc các loài amip khác, giải trình tự bộ gene của nó, nhận ra nó là gì và đặt tên nó là Mimivirus, vì nó bắt chước vi khuẩn, ít nhất là về kích thước. Về đường kính, nó rất lớn, lớn hơn những con vi khuẩn nhỏ nhất. Bộ gene của nó cũng rất lớn so với một loại virus, dài gần 1,2 triệu base (so với virus cúm là 13.000, hoặc ngay cả đầu mùa cũng chỉ 194.000). Đó là một loại virus “không tưởng”: có bản chất là virus nhưng quy mô quá lớn, giống như một con bướm Amazon mới được phát hiện với sải cánh dài 4 mét.

Jean-Michel Claverie là thành viên cấp cao của nhóm Marseille, nói rằng việc phát hiện ra Mimivirus “đã gây ra rất nhiều rắc rối.” Tại sao? Bởi vì việc giải trình tự bộ gene đã tiết lộ 4 gene rất bất ngờ — các gene mã hóa các enzym được cho là duy nhất ở tế bào và chưa từng thấy ở virus. Claverie giải thích, những enzym đó là một trong những thành phần dịch mã để lắp ráp các axit amin thành protein.

“Vì vậy, câu hỏi đặt ra là”, Claverie nói, “Virus cần các gene này để làm gì? Trong khi chúng có thể điều khiển tế bào theo ý của mình?”

Thực sự chúng cần gì? Suy luận hợp lý là Mimivirus có các gene này vì chúng như là vật tổ chức, có thể dòng dõi của nó bắt nguồn từ quá trình giảm bộ gene từ một tế bào. (giả thuyết ba)

Mimivirus không phải duy nhất. Các loại virus khổng lồ tương tự cũng sớm được phát hiện ở biển Sargasso (giữa Bắc Đại Tây Dương), và tên ban đầu đã trở thành một chi, Mimivirus, chứa một số loài virus khổng lồ. Sau đó, nhóm nghiên cứu ở Marseille lại phát hiện thêm hai con khổng lồ - một lần nữa, cả hai đều là ký sinh trùng của amip - một con lấy từ trầm tích biển nông ngoài khơi Chile, con còn lại lấy từ một cái ao ở Úc. Lớn gấp đôi Mimivirus, thậm chí còn dị thường hơn, chúng được gán cho một chi riêng biệt, mà Claverie và các đồng nghiệp của ông đặt tên là Pandoravirus, gợi lên chiếc hộp của Pandora, như họ đã giải thích vào năm 2013, vì “những bất ngờ được mong đợi từ nghiên cứu sâu hơn của họ”.

Đồng tác giả chính của Claverie trên bài báo đó là Chantal Abergel, một nhà virus học và sinh vật học cấu trúc (và cũng là vợ của ông). Về các Pandoravirus, Abergel nói, với một nụ cười mệt mỏi: “Chúng rất thách thức”. Bà giải thích rằng thật khó để biết chúng là gì, những sinh vật này - quá khác với tế bào, quá khác với virus cổ điển, mang nhiều gene chưa từng thấy. “Tất cả những điều đó khiến chúng trở nên hấp dẫn nhưng cũng đầy bí ẩn.” Trong một thời gian, bà gọi chúng là NLF: dạng sống mới. Nhưng từ việc quan sát thấy chúng không tái tạo bằng cách phân hạch, bà và các đồng nghiệp của mình nhận ra chúng là virus - loại virus lớn nhất và khó hiểu nhất được tìm thấy cho đến nay.

Những khám phá này gợi ý cho nhóm Marseille một hướng đi táo bạo để giải thích cho giả thuyết giảm thiểu (kích thước). Có thể virus bắt nguồn từ việc khử từ các tế bào cổ đại, nhưng các tế bào thuộc loại này không còn tồn tại trên Trái đất. Loại “tế bào nguyên mẫu tổ tiên” này có thể khác và cạnh tranh với tổ tiên chung phổ biến của tất cả các tế bào được biết đến ngày nay. Có thể những tế bào nguyên mẫu này đã thua cuộc cạnh tranh đó, và bị loại khỏi tất cả các hốc dành cho những sinh vật sống tự do. Chúng có thể đã sống sót khi ký sinh trên các tế bào khác, giảm kích thước bộ gene và trở thành thứ mà chúng ta gọi là virus. Từ cõi tế bào đã biến mất đó, có lẽ chỉ còn lại virus, giống như những cái đầu bằng đá khổng lồ trên Đảo Phục Sinh.

Việc khám phá ra các loại virus khổng lồ đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học khác, đặc biệt là Patrick Forterre tại Viện Pasteur ở Paris, hình thành những ý tưởng mới lạ về virus là gì và vai trò của chúng, trong sự tiến hóa và các chức năng của đời sống tế bào.□
(Còn tiếp)

Đức Phát lược thuật

Nguồn bài và ảnh: 
https://www.nationalgeographic.com/magazine/2021/02/viruses-can-cause-great-harm-but-we-could-not-live-without-them-feature/
*Tác giả David Quammen là một nhà khoa học, một cây viết về khoa học nổi tiếng cho các tờ như National Geographic, New York Times, The New Yorker... và hơn mười cuốn sách phổ biến khoa học; tiêu biểu gần đây có cuốn Spillover đề cập tới các bệnh dịch mới nổi từ động vật lây nhiễm sang con người, trong đó có tiên đoán về đại dịch như Covid.