Giải thích về mặt di truyền học của hiện tượng vi khuẩn sống trong môi trường nước ao phát triển mạnh hơn vào ban ngày (Researchers find pond bacteria grows faster during the day, suggest a genetic explanation)

Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Giải thích về mặt di truyền học của hiện tượng vi khuẩn sống trong môi trường nước ao phát triển mạnh hơn vào ban ngày (Researchers find pond bacteria grows faster during the day, suggest a genetic explanation)

Thứ hai - 09/03/2020 14:02

Ngày 26 tháng 2 năm 2019, Julie Stewart, Đại học Delaware

Một số vi khuẩn sống trong hồ, ao và các môi trường nước ngọt phát triển nhanh hơn vào ban ngày, ngay cả khi chúng không nhận ánh sáng như nguồn cung cấp năng lượng, theo các nhà khoa học tại Đại học Delaware. Các gene đặc biệt có chức năng hấp thụ ánh sáng giúp giải thích hiện tượng này, điều này được mô tả gần đây trên tạp chí Journal of Bacteriology

Đây là một trong các cách lý giải. Để hiểu rõ về sự sống, cần phải hiểu về phân tử carbon. Chúng ta ăn carbon dạng hữu cơ, dùng nó như một nguồn năng lượng, và phóng thích nó khi cơ thể phân hủy sau khi chúng ta chết đi. Chu trình carbon, vòng tuần hoàn của carbon trong tự nhiên, là một chủ đề quan trọng cho các nhà sinh thái học và các nhà khoa học muốn tìm hiểu ảnh hưởng của các hoạt động của con người lên trái đất của chúng ta. Nước cũng góp phần trong vòng tuần hoàn carbon, vì vậy bằng cách tăng cường sự hiểu biết về những hệ sinh thái này, các nhà nghiên cứu có khả năng giúp ích cho cả hành tinh nói chung. Một trong các bước quan trọng là hiểu về các sinh vật bé nhỏ có mặt trong nước.

Julia Maresca, phó giáo sư ngành kỹ thuật môi trường và dân dụng, muốn tìm tìm hiểu cách thức hai chủng vi khuẩn thường gặp trong môi trường nước ngọt chuyển quang năng thành hóa năng, tận dụng ánh sáng như một nguồn cung cấp cho hệ thống năng lượng của chúng.

Maresca bắt đầu với hai chủng vi khuẩn: loại màu đỏ (Rhodoluna (Rhl.) lacicola strain MWH-Ta8) chứa một hệ thống quang hợp tự nhiên có thể chuyển quang năng thành hóa năng và loại màu vàng (Aurantimicrobium sp. strain MWH-Uga) không có hệ thống quang hợp. Nhóm nghiên cứu dự đoán rằng chỉ các vi khuẩn màu đỏ phát triển nhanh hơn khi tiếp xúc với ánh sáng trắng. Tuy nhiên, khi các nhà khoa học và đồng tác giả nghiên cứu Jessica Keffer tiến hành lô thí nghiệm đầu tiên, họ nhận thấy cả hai loại vi khuần đều phát triển mạnh khi được chiếu sáng. Lần lập lại thứ hai cũng có kết quả tương tự.

"Có điều gì đó xảy ra trong các chủng vi khuẩn mà chúng chúng tôi không thể lý giải bằng những kiến thức hiện tại" Maresca nói.

Các thí nghiệm bổ sung cho thấy vi khuẩn mọc nhanh hơn trong ánh sáng xanh dương và cực tím (UV), nhưng chậm hơn trong ánh sáng đỏ và xanh lá. Các nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ rằng những vi khuẩn này có thể không chuyển quang năng thành hóa năng, mà ngược lại “hấp thụ năng lượng ánh sáng và dùng chúng như một dạng thông tin, giống như chúng ta”, Maresca cho biết. "Khi có ánh sáng, chúng ta nhận biết đó là thời điểm để thức dậy, ăn sáng và vận động"

Để tìm hiểu về vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các gen đang hoạt động của vi khuẩn trong điều kiện có ánh sáng và trong bóng tối. Trong ánh sáng, cả hai chủng vi khuẩn thu nạp nhiều carbon hơn, bao gồm đường, trao đổi chất nhanh hơn. Khi ở trong tối, những chức năng này giảm đi, và vi khuẩn tăng cường sản xuất protein và sữa chữa các hệ thống cần cho sự phát triển và sinh sản tế bào. "Vào ban ngày khi có ánh sáng, chúng trao đổi chất mạnh hơn," Maresca bổ sung. "Và ban đêm khi không có ánh sáng, chúng chuyển sang giai đoạn hồi phục và chuẩn bị cho các thời kỳ phát triển nhanh sau đó."

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tìm xem các vi khuẩn này có điểm chung ở những gen nào, ngoài những gen thiết yếu cho sự tăng trưởng. Với sự trợ giúp từ những đồng nghiệp tại Trung tâm Giải trình tự gen tại Đại học Delaware, họ đã xác định được những gen không thiết yếu, giúp cả hai loại vi khuẩn hấp thụ ánh sáng xanh. Một gen mã hóa cho DNA photolyase, giúp hấp thụ ánh sáng xanh và dùng chúng để sửa chữa DNA bị tia UV làm đứt gãy. Đây là cơ chế sửa chữa nhưng có thể không có vai trò trong việc phát triển ở điều kiện sáng, Maresca cho biết. Gen còn lại là cryptochrome, được biết đến với chức năng điều hòa nhịp sinh học ở động vật, thực vật, nấm và ngay cả con người. Cryptochrome được xem là chịu trách nhiệm trong việc điều tiết tốc độ phát triển khác nhau trong điều kiện ánh sáng.

"Chúng tôi không có bất kỳ bằng chứng trực tiếp về việc gen này chịu trách nhiệm hấp thu ánh sáng hay thúc đẩy sự tăng trưởng trong điều kiện có ánh sáng, nhưng chúng tôi lại có rất nhiều chứng cứ gián tiếp ám chỉ giả thuyết trên," Maresca nói thêm. "Chúng tôi đã tinh sạch protein này và xem bước sóng ánh sáng mà nó hấp thụ, đó là hai bước sóng khiến cho tế bào tăng trưởng mạnh nhất: 420 nm và 375 nm. Mặc dù chỉ gián tiếp nhưng lại khá hợp lý."

Vậy tại sao những vi khuẩn này, thường thấy ở nơi cách mặt nước khoảng một mét, lại cảm nhận ánh sáng và phản ứng theo hướng này? Những môi trường nước ngọt có nhiều ánh sáng chứa những sinh vật như tảo thu nhận CO2 từ không khí và sản xuất carbon hữu cơ – nguồn thức ăn cho vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu đang có một giả thuyết rằng vi khuẩn trong nghiên cứu này có thể đã bất ngờ điều chỉnh bộ máy hoạt động để trùng khớp với thời điểm sản xuất thức ăn của những loài sinh vật kế cận. Điều này giống như việc đến sớm một bữa tiệc buffet có đầy những món ăn tươi ngon thay vì đến muộn để thấy chẳng còn gì nhiều sót lại. Nhóm nghiên cứu đang phối hợp với một trường đại học khác để tìm hiểu cách tương tác giữa các vi khuẩn này với tảo trong cùng một điều kiện môi trường.

Và để suy ngẫm thêm – hướng nghiên cứu này đến một cách tình cờ. “Đây là một ví dụ về việc sau một nghiên cứu không thành công, nó khiến bạn sau đó tiếp tục đặt thêm những câu hỏi mới," Maresca giải bày.

Nguồn: https://phys.org/news/2019-02-pond-bacteria-faster-day-genetic.html

Tác giả bài viết: Lê Lưu Phương Hạnh - CNSH Thủy sản