Vi khuẩn cộng sinh quyết định sự phát triển của mực đuôi cộc Hawaii

Mực đuôi cộc Hawaii.

Mực đuôi cộc Hawaii (Hawaiian bobtail squid), một loài mực nhỏ sở hữu màu sắc rực rỡ sinh sống tại vùng biển ven bờ Hawaii, sử dụng khả năng phát quang sinh học (bioluminescence) để ngụy trang và trốn tránh các loài săn mồi. Tuy nhiên, cơ chế "tàng hình" này chỉ khả thi thông qua mối quan hệ cộng sinh đặc hiệu với một loài vi khuẩn là Vibrio fischeri, được loài mực này chọn lọc và thu nhận từ môi trường biển.

Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), dẫn đầu bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Hawaii (UH) ở Mānoa, đã tiết lộ rằng lợi ích sinh học của mối quan hệ này vượt xa chức năng phát sáng: vi khuẩn được xác định đóng một vai trò trọng yếu trong quá trình phát triển hình thái và sinh lý bình thường của mực.

Jill (Kuwabara) Smith, tác giả chính của nghiên cứu, nguyên là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Sinh học Thái Bình Dương (PBRC) thuộc Trường Khoa học và Công nghệ Đại dương và Trái đất UH Mānoa vào thời điểm thực hiện nghiên cứu, cho biết: "Công trình gần đây của chúng tôi cho thấy để phát triển toàn diện, cơ thể mực đòi hỏi một loại protein do vi khuẩn cộng sinh của nó cung cấp. Điều này gây ngạc nhiên lớn, nhưng xét trên khía cạnh những nghiên cứu liên quan đến mô hình cộng sinh này luôn mang tính chất tiên phong, hầu như mọi phát hiện mới đều mang lại sự bất ngờ".

Nhiều loại vi khuẩn tiết ra các vi nang nhỏ, được gọi là các túi màng ngoài (outer membrane vesicles - OMVs), từ bề mặt tế bào của chúng. Những túi này có thể đóng gói protein, enzyme, vật chất di truyền, hoặc thậm chí là các yếu tố độc lực nếu đó là vi khuẩn gây bệnh. Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng Vibrio fischeri đóng gói vào các túi này một loại protein có tên là SypC, đóng vai trò then chốt trong việc khởi phát sự tương tác giữa vật chủ và vi sinh vật.

Smith chia sẻ thêm: "Nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng, một khi vi khuẩn và các túi màng ngoài của nó xâm nhập vào cơ thể mực, protein SypC sẽ đảm nhận một chức năng sinh học mới — nó đảm nhiệm vai trò cảm ứng (induction) sự phát triển của chính cơ quan phát sáng".

Kính hiển vi đồng tiêu huỳnh quang (fluorescence confocal microscopy) được sử dụng để theo dõi đường di chuyển của protein trong cơ thể mực khi có và không có sự hiện diện của SypC.

Theo vết một loại protein hiếm nhưng quan trọng

Mặc dù SypC là một protein có nguồn gốc vi sinh vật và vai trò tất yếu của nó đối với sự phát triển của loài mực dường như là điều khó tin, nhóm nghiên cứu đã có một khám phá mang tính đột phá: sự thiếu hụt SypC trong các túi vi khuẩn dẫn đến những rối loạn phát triển nghiêm trọng ở vật chủ.

Sau đó, các nhà khoa học đã gắn thẻ đánh dấu huỳnh quang (fluorescent tag) bằng phương pháp hóa học vào SypC và sử dụng kính hiển vi đồng tiêu huỳnh quang để lập bản đồ di chuyển của protein này khắp cơ thể mực. Họ đồng thời phân tích định lượng sự biểu hiện gen (gene expression) ở mực trong điều kiện có và không có SypC.

Các quan sát đã chỉ ra rằng tế bào máu (hemocytes) - các tế bào miễn dịch chuyên biệt chịu trách nhiệm thanh thải vi sinh vật gây bệnh - đã tương tác với các túi vi khuẩn và vận chuyển vi khuẩn đến một vị trí mô đích ở xa, nơi chúng kích hoạt quá trình biệt hóa cơ quan phát sáng. Thêm vào đó, họ phát hiện ra rằng bên trong cơ thể mực, sự biểu hiện của 138 gen đã bị thay đổi đáng kể khi không có SypC.

Smith kết luận: "Ngoài việc cung cấp năng lực phát quang, Vibrio fischeri còn điều hòa sự phát triển các cơ quan của mực và duy trì mức độ biểu hiện gen bình thường liên quan đến một phổ rộng các chức năng sinh lý".

Từ loài mực đến sức khỏe con người

Hầu như mọi sinh vật và hệ sinh thái đều chứa đựng một quần thể vi sinh vật phức tạp - hệ vi sinh vật (microbiome) - đóng vai trò là một cấu phần không thể thiếu đối với sức khỏe sinh thái và sức khỏe con người. Tuy nhiên, mạng lưới tín hiệu giao tiếp giữa vi khuẩn và vật chủ trước, trong và sau quá trình tương tác luôn là một bài toán sinh học đầy bí ẩn.

Margaret McFall-Ngai, tác giả cấp cao của bài báo, Giáo sư danh dự tại PBRC và là nhà khoa học cấp cao tại Caltech/Carnegie Science ở Pasadena, giải thích: "Thông thường, hệ vi sinh vật của động vật cực kỳ phức tạp, do đó rất khó để phân lập và xác định chính xác mỗi loài vi khuẩn đang đóng góp tín hiệu gì vào mạng lưới 'giao tiếp phân tử' với động vật chủ. Loài mực mà chúng tôi sử dụng làm mô hình nghiên cứu có đặc tính chỉ tương tác tự nhiên với duy nhất một loài vi khuẩn, nhờ đó các cơ chế trao đổi chất giữa hai đối tác trở nên rõ ràng và dễ phân tích hơn rất nhiều".

Vi khuẩn cư trú trong hệ tiêu hóa của con người cũng tiết ra các túi màng ngoài; chúng được hấp thu và vận chuyển qua hệ tuần hoàn đến các mô ở xa, nơi chúng điều biến (modulate) chức năng của các cơ quan đích. Tuy nhiên, do quần thể vi sinh vật đường ruột của con người có tới hàng trăm loài, kết hợp với kích thước hệ thống mô đích quá lớn, việc thiết kế các nghiên cứu in vivo gặp rất nhiều rào cản.

Lợi thế kích thước siêu nhỏ của mực đuôi cộc Hawaii sơ sinh (chỉ dài vài milimet) cho phép các nhà khoa học trực quan hóa ảnh hưởng của các tương tác vật chủ - vi sinh vật ở độ phân giải tế bào thông qua kính hiển vi đồng tiêu.

"Đích đến cuối cùng của chúng tôi là giải mã những cơ chế cộng sinh mang tính chất bảo thủ về mặt tiến hóa (evolutionarily conserved), từ các loài động vật bậc thấp cho đến con người," Smith, hiện là giáo viên khoa học tại Trường 'Iolani, cho biết. "Những yếu tố được bảo tồn qua các nấc thang tiến hóa chắc chắn mang ý nghĩa sinh học cốt lõi. Một khi phát hiện ra một cơ chế nào đó ở mực, nó có thể cung cấp manh mối cơ bản về cách thức vận hành ở các hệ thống động vật có vú. Mô hình mực-vibrio đã liên tục cung cấp các định hướng mang tính nền tảng cho cộng đồng y sinh học trong suốt hơn 35 năm qua".

P.T.T (NASTIS), theo https://www.soest.hawaii.edu/