Khoa học dữ liệu tiết lộ các quy tắc phổ quát định hình các trạm năng lượng của tế bào
của Đại học Bergen
Được vẽ theo cùng một phong cách: các nhà khoa học đã chỉ ra rằng các nguyên tắc giống nhau định hình sự tiến hóa của lục lạp (trên), ti thể (dưới) và các chất cộng sinh khác trong suốt cuộc đời. Ảnh: Iain Johnston và Sigrid Johnston-Røyrvik
Ti thể là những ngăn — cái gọi là “bào quan” —trong tế bào của chúng ta, nơi cung cấp năng lượng hoá học mà chúng ta cần để di chuyển, suy nghĩ và sống. Lục lạp là bào quan ở thực vật và tảo có chức năng thu nhận ánh sáng mặt trời và thực hiện quá trình quang hợp. Thoạt nhìn, chúng có thể trông khác xa nhau. Nhưng một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, do Đại học Bergen dẫn đầu, đã sử dụng khoa học dữ liệu và sinh học tính toán để chỉ ra rằng cùng một "quy tắc" đã định hình cách cả hai loại bào quan này — và hơn thế nữa — đã phát triển trong suốt lịch sử cuộc đời.
Cả hai loại bào quan đều từng là những sinh vật độc lập, có bộ gen đầy đủ của riêng chúng. Hàng tỷ năm trước, những sinh vật đó đã bị bắt và giam cầm bởi các tế bào khác - tổ tiên của các loài hiện đại. Kể từ đó, các bào quan đã mất hầu hết bộ gen của chúng, chỉ còn lại một số gen trong ADN ti thể và lục lạp ngày nay. Những gen còn lại này rất cần thiết cho sự sống và quan trọng trong nhiều căn bệnh nguy hiểm, nhưng tại sao chúng lại ở trong DNA của bào quan, khi rất nhiều gen khác đã bị mất, đã được tranh luận trong nhiều thập kỷ.
Để có một góc nhìn mới mẻ về câu hỏi này, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp tiếp cận theo hướng dữ liệu. Họ thu thập dữ liệu về tất cả DNA của bào quan đã được giải trình tự trong suốt cuộc đời. Sau đó, họ sử dụng mô hình, hóa sinh và sinh học cấu trúc để trình bày một loạt các giả thuyết khác nhau về việc lưu giữ gen như một tập hợp các con số liên quan đến mỗi gen. Sử dụng các công cụ từ khoa học dữ liệu và thống kê, họ hỏi ý tưởng nào có thể giải thích tốt nhất các mẫu gen được giữ lại trong dữ liệu mà họ đã tổng hợp — thử nghiệm kết quả với dữ liệu không nhìn thấy để kiểm tra sức mạnh của chúng.
Kostas Giannakis, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Bergen và là tác giả đầu tiên của bài báo, giải thích: “Một số mô hình rõ ràng xuất hiện từ mô hình. "Rất nhiều gen này mã hóa các đơn vị con của các cỗ máy tế bào lớn hơn, được lắp ráp giống như một hình ghép.
Nhóm nghiên cứu tin rằng điều này là do việc giữ quyền kiểm soát cục bộ đối với việc sản xuất các tiểu đơn vị trung tâm như vậy giúp tổ chức phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi — một phiên bản của cái gọi là mô hình "CoRR". Họ cũng tìm thấy sự hỗ trợ cho các ý tưởng hiện có, đang tranh luận và mới khác. Ví dụ, nếu một sản phẩm gen kỵ nước và khó nhập vào cơ quan từ bên ngoài, dữ liệu cho thấy rằng nó thường được giữ lại ở đó. Bản thân các gen được mã hóa bằng cách sử dụng các nhóm hóa học liên kết mạnh hơn cũng thường được giữ lại nhiều hơn, có lẽ vì chúng hoạt động mạnh mẽ hơn trong môi trường khắc nghiệt của bào quan.
Iain Johnston, giáo sư tại Bergen và là trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Những giả thuyết khác nhau này thường được cho là cạnh tranh trong quá khứ. "Nhưng thực ra không có cơ chế đơn lẻ nào có thể giải thích tất cả các quan sát — nó cần có sự kết hợp. Điểm mạnh của phương pháp tiếp cận theo hướng dữ liệu, không thiên vị này là nó có thể cho thấy rằng rất nhiều ý tưởng đúng một phần, nhưng không có ý kiến nào hoàn toàn đúng như vậy, có lẽ giải thích cho cuộc tranh luận kéo dài về những chủ đề này. "
Trước sự ngạc nhiên của họ, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các mô hình của họ được đào tạo để mô tả các gen ty thể cũng dự đoán việc lưu giữ các gen lục lạp và ngược lại. Họ cũng phát hiện ra rằng các đặc điểm di truyền giống nhau hình thành nên DNA ty thể và lục lạp cũng đóng một vai trò trong sự tiến hóa của các loài nội bào khác — những sinh vật gần đây đã bị các vật chủ khác bắt giữ, từ tảo đến côn trùng.
Johnston nói: “Đó là một khoảnh khắc tuyệt vời. "Chúng tôi và những người khác đã có ý tưởng này rằng những áp lực tương tự có thể áp dụng cho sự tiến hóa của các bào quan khác nhau. Nhưng để thấy được mối liên kết định lượng, phổ quát này — dữ liệu từ một bào quan này dự đoán chính xác các mẫu trong bào quan khác, và trong các cơ quan nội tạng gần đây hơn — thực sự rất ấn tượng."
Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Cell Systems và nhóm nghiên cứu hiện đang giải quyết một câu hỏi song song - làm thế nào các sinh vật khác nhau duy trì các gen của bào quan mà chúng giữ lại. Các đột biến trong DNA ty thể có thể gây ra các bệnh di truyền nghiêm trọng; nhóm đang sử dụng mô hình, thống kê và thí nghiệm để khám phá cách xử lý những đột biến này ở người, thực vật và hơn thế nữa.
