Các nhà khoa học tại RIKEN đang tìm kiếm manh mối về nguồn gốc sự sống trên Trái đất đã phát hiện ra một loại vi khuẩn mới có thể làm sáng tỏ cách các sinh vật đầu tiên phát triển trên Trái đất, quá trình tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong vũ trụ và cách cải thiện các nhà máy vi khuẩn.
Địa điểm serpentin hóa Cedars và lọc tại chỗ. Tín dụng: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48185-5
Nghiên cứu của họ, được tiến hành tại các suối nước sâu gồ ghề ở phía bắc California, đã phát hiện ra một loại vi sinh vật chuyển đổi carbon dioxide thành các hóa chất khác. Quá trình này không chỉ tạo ra năng lượng mà còn sử dụng một con đường trao đổi chất chưa từng được biết đến trước đây, gợi ý các phương pháp cố định carbon mới có thể mô phỏng các dạng trao đổi chất năng lượng sớm nhất trên hành tinh của chúng ta.
Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Nature Communications .
"Điều này thực sự bất thường", Shino Suzuki, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà vi sinh vật học đứng đầu Phòng thí nghiệm Địa sinh học và Sinh học vũ trụ tại Trung tâm nghiên cứu tiên phong RIKEN ở Wako, Nhật Bản, cho biết.
Các điều kiện bất thường mà các vi sinh vật sống có thể là ứng cử viên cho loại môi trường mà sự sống trên Trái đất bắt nguồn, do đó, loại cố định cacbon mới này "có thể đại diện cho một trong những quá trình chuyển đổi năng lượng sớm nhất của sự sống nguyên thủy", Suzuki nói. Hóa ra, nó cũng có thể được khai thác để thúc đẩy sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học của vi khuẩn.
Manh mối nguồn gốc sự sống
Vi khuẩn, một dạng sống đơn bào được gọi là archaeon, đến từ một hệ sinh thái siêu nhiên có tên là The Cedars. Nằm cách Cầu Cổng Vàng mang tính biểu tượng của San Francisco khoảng 150 km về phía bắc, kho báu địa chất này được đặc trưng bởi các thành tạo khoáng chất kỳ lạ do một số loại đá ngầm phản ứng với nước.
Quá trình này tạo ra nước giàu canxi, hydro và khí mê-tan, nhưng thiếu các thành phần khác thường cần thiết cho sự sống. Tuy nhiên, sự sống vẫn phát triển ở đó.
Khoảng 15 năm trước, Suzuki và các cộng sự của bà đã bắt đầu mô tả các vi khuẩn trong môi trường thù địch này, sử dụng các kỹ thuật giải trình tự gen tiên tiến để xác định vi khuẩn và vi khuẩn cổ trong các thế giới chưa được khám phá này. Họ đã gặp phải nhiều loại vi khuẩn kỳ lạ, mỗi loại có các đặc điểm bộ gen và chức năng trao đổi chất riêng biệt.
Một số ăn hydro, trong khi những loài khác tiêu thụ khoáng chất hòa tan trong nước kiềm. Nhưng có lẽ không có loài nào kỳ lạ hơn—và hấp dẫn hơn—Met12.
Met12 là một loài archaeon phong phú sống trong các mạch nước ngầm sâu của The Cedars. Phân tích di truyền cho thấy nó có quan hệ gần gũi với một nhóm vi khuẩn kỵ khí được biết đến với khả năng tạo ra mêtan như một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Tuy nhiên, Met12 lại thiếu các gen cần thiết để tạo ra mêtan.
Thay vào đó, vi khuẩn dựa vào một con đường trao đổi chất thay thế trong đó carbon dioxide được chuyển đổi thành một phân tử hữu cơ gọi là acetate, mà không có bất kỳ khí mê-tan nào được giải phóng trong quá trình này. Đáng chú ý, nó được hỗ trợ trong hoạt động này thông qua một gen độc đáo gọi là MmcX.
Gen này, như Suzuki và nhóm của cô đã chỉ ra, giúp tăng cường khả năng nhập electron của Met12, cho phép quá trình chuyển hóa năng lượng mạnh mẽ hơn. Sự thích nghi này rất quan trọng để vi khuẩn phát triển mạnh ở địa hình như The Cedars, thoạt nhìn có vẻ hoàn toàn không thích hợp cho sự sống như vậy.
Theo Suzuki, khám phá này cho thấy một dạng sống thích nghi với môi trường khắc nghiệt theo những cách không ngờ tới, một phát hiện có thể phản ánh cách thức sự sống nguyên thủy hoặc thậm chí là ngoài trái đất xuất hiện trong những điều kiện khắc nghiệt được cho là tồn tại trên Trái đất sơ khai hoặc các hành tinh khác. "Điều này có thể cung cấp một số hiểu biết sâu sắc về nguồn gốc của sự sống", Suzuki nói.
Khi Suzuki, cùng với các cộng sự từ Hoa Kỳ, Đan Mạch và những nơi khác ở Nhật Bản, lần đầu tiên phát hiện ra Met12, họ đã không tin vào những phát hiện của chính mình. "Tôi đã nghi ngờ bản thân mình", Suzuki nói. "Tôi nghĩ rằng mình đã phạm sai lầm".
Chỉ có trình tự gen khả dụng, họ phải sử dụng một quy trình phương pháp để tái tạo bộ gen tuần hoàn của vi khuẩn. Nuôi cấy Met12 trong phòng thí nghiệm tỏ ra đầy thách thức, vì vậy họ không thể xác minh sự tồn tại của nó thông qua các phương pháp vi sinh truyền thống. Chuyển sang sinh học tổng hợp, các nhà nghiên cứu phải sử dụng các phương pháp xác minh sáng tạo để tự thuyết phục rằng sinh vật này là có thật.
Họ đã đưa gen MmcX vào một loại vi khuẩn hình que, được biến đổi gen để không có hoạt động truyền electron. Sự điều chỉnh này đã giúp cứu vãn khả năng hấp thụ electron của vi khuẩn, thậm chí đến mức vượt quá mức bình thường. Với các thử nghiệm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã suy ra cách Met12 có khả năng khai thác các electron này để tạo điều kiện cho quá trình chuyển hóa năng lượng, với carbon dioxide là nguồn nhiên liệu chính.
Sự phấn khích tràn đầy năng lượng
Phát hiện này có ý nghĩa thực tế. Vi khuẩn mà họ tăng cường hoạt động trao đổi chất và tính linh hoạt thường được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học. Sử dụng MmcX, Suzuki hy vọng sẽ cải thiện hiệu quả của các vi khuẩn biến đổi gen dựa vào sự truyền electron để giúp sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học. Sự đổi mới của họ đã dẫn đến việc nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ phân tử này.
Việc mô tả đặc điểm của loài cổ sinh vật này cũng có thể hỗ trợ quá trình cô lập carbon, một ưu tiên trong việc giảm thiểu khí thải nhằm làm chậm tốc độ biến đổi khí hậu.
Khả năng đổi mới không dừng lại ở MmcX. Suzuki dự đoán những khám phá đặc biệt hơn nữa sẽ tiếp nối sau quá trình khám phá thêm The Cedars và nghiên cứu các môi trường độc đáo khác với nguồn dự trữ đa dạng di truyền chưa được khai thác.
Nhóm của cô hiện đang tìm kiếm các sinh vật ưa cực ở những nơi như suối nước nóng Hakuba Happo ở dãy núi Alps của Nhật Bản, một suối nước nóng có độ kiềm cao có điều kiện tương tự như The Cedars và các núi lửa dưới nước ở rãnh biển sâu nhất thế giới, Rãnh Mariana, nằm ở phía tây Thái Bình Dương.
"Vẫn còn rất nhiều gen thú vị hơn nữa chưa được phát hiện", bà nói.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
