Nhiều virut cùng quyết định số phận tế bào vi khuẩn

Nghiên cứu mới cho thấy virut lây nhiễm ở vi khuẩn – gọi là thể thưc khuẩn – có thể quyết định liệu có tiêu diệt tế bào vật chủ ngay sau khi xâm nhập hoặc đi vào trạng thái “ẩn”, tồn tại bên trong tế bào vật chủ

Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Biophysical ngày 15 tháng 9, cho thấy nhiều virut xâm nhập một tế bào làm tăng số lượng gen virut và do đó tăng sự biểu hiện gen của virut. Sự thay đổi trong biểu hiện gen virut có thể tạo ra ảnh hưởng lớn đến mạng lưới gen kiểm soát việc liệu virut sẽ phá vỡ tế bào của vật chủ hoặc đi vào giai đoạn “ẩn”.

Joshua Weitz, giáo sư tại Trường sinh học, Học viện công nghệ Georgia, cho biết: “Điều làm bối rối cộng đồng nghiên cứu virut trong một thời gian khá dài là số phận tế bào của một vi khuẩn bị nhiễm một virut khác xa với khi bị nhiễm hai virut. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy virut có thể quyết định, theo tập thể, liệu có tiêu diệt vật chủ hay không, và từng cá thể virut “trao đổi” với nhau là kết quả của tương tác giữa gen và protein mà virut buộc vật thể phải tạo ra”.

Để nghiên cứu lây nhiễm virut, Weitz đã hợp tác với đồng nghiệp Yurily Mileyko, sinh viên cao học Richard Joh và Eberhard Voit, giáo sư Ban kỹ thuật y sinh học Wallace H, Coulter, đống thời là giám đốc Học viện Hệ sinh học kết hợp tại Học viện công nghệ Georgia.

Hầu hết các nguyên cứu lý thuyết trước đây khẳng đỉnh rằng việc thay đổi giữa “tiêu diệt” và “tạm ẩn” phụ thuộc vào thay đổi trong điều kiện môi trường hoặc cơ hội ngẫu nhiên. Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhận định phản ứng đối với đồng lây nhiễm có thể là đặc trưng tiến hóa của virut.

Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu phân tích chu trình quyết định liệu virut chọn cách tiêu diệt tế bào vật chủ - gọi là lytic pathway – hoặc chọn cách chung sống bên trong tế bào vật chủ - gọi là lysogenic pathway

Khi lytic patway được chọn, virut sẽ tự sao chép và phá hủy tế bào vật chủ, những virut mới đươc giải phóng tiếp tục lây nhiễm các tế bào khác. Ngược lại, đối với lysogenic pathway, bộ gen của virut tự xát nhập vào bộ gen của vi khuẩn và sao chép cùng với vi khuẩn trong khi kiềm chế gen tạo ra khả năng tiêu diệt tế bào. Virut sẽ không hoạt động cho đến khi điều kiện bên trong cơ thể vật chủ thay đổi chuyền sang lytic patway.

Quyết định của chu trình di truyền kiểm soát một virut chọn cách tiêu diệt hoặc chung sống không phải là ngẫu nhiên. Thay vào đó, số phận của tế bào do một nhóm virut liên kết với nhau quyết định, theo nghiên cứu mới, do Cơ quan nghiên cứu phòng vệ, Quỹ khoa học quốc gia và Quỹ Buroughs Wellcome tài trợ.

Weitz, thành viên của Học viện Hệ sinh học kết hợp tại Học viện công nghệ Georgia, giải thích: “Trong trường hợp vật ăn vi khuẩn được nghiên cứu rộng nhất, thể thực khuẩn lambda, bằng chứng thí nghiệm chỉ ra rằng một thể thực khuẩn đơn lẻ thường dẫn tới quyết định tiêu diệt tế bào và giải phóng virut, trong khi đó nếu số lượng thể thực khuẩn là 2 hoặc nhiều hơn thì kết quả thường là tạm ẩn. Chúng tôi muốn biết tại sao 2 virut lại biểu hiện khác so với một virut đơn lẻ mặc dù chúng có cùng chu trình quyết định như nhau”.

Để tìm hiểu điểu này, các nhà khoa học mô hình hóa hệ thống gen phức tạp điều khiển sự chuyền đổi giữa quyết định tiêu diệt và tạm ẩn ở thể thực khuẩn lambda. Họ tìm hiểu 3 loại gen quan trọng – cro, cl và cll – cũng như những protein được tạo ra. Chu trình quyết định bao gồm những vòng phản hồi tiêu cực hoặc tích cực, phản ứng khác nhau đối với sự thay đổi của số lượng bộ gen của virut trong một tế bào. Phản hồi tích cực liên kết với lysogenic pathway và phản hồi tiêu cực liên kết với lytic patway.

Với một virut đơn lẻ, hệ gen cro chi phối và lytic pathway thắng thế. Nếu lượng virut đồng lây nhiễm vượt quá một ngưỡng nhất định, phản hồi tích cực liên hệ với cl lấn át, chuyền sáng lysogenic pathway. Sự khác biệt của số phận tế bào hoàn toàn dựa vào liệu 1 hay 2 virut năm bên trong tế bào.

Weitz giải thích: “Chu trình quyết định là cuộc đua giữa hai pathways và trong trường hợp một virut đơn lẻ, kết quả hướng về quyết định tiêu diệt. Trong mô hình của chúng tôi, khi nhiều virut lây nhiễm cùng một tế bào, sự hình thành protein điều khiển tăng cao. Quá trình ngắn ngủi này được vòng phản hồi tích cực của pathway tạm ẩn củng cố, cho phép tạo ra thêm protein lysogenic, và do đó kết quả hướng về quyết định tạm ẩn".

Ý tưởng chính của mô hình do Weitz và các cộng sự đề xuất là sự tăng của tổng lượng protein tạo ra từ nhiều bộ gen virut có thể có ảnh hưởng lớn đến mạng lưới gen ngoại tuyến quyết định số phận tế bào.

Weitz thêm vào: “Vẫn còn nhiều câu hỏi cần câu trả lời, ví dụ như ở mức độ nào virut đến sau có thể thay đổi kết quả đã được quyết định, nhưng chưa được thực hiện, của những virut đến trước hoặc ở mức độ nào vi môi trường bên trong vật chủ ảnh hưởng đến số phận tế bào. Tuy nhiên, nghiên cứu này đề xuất một giải thích cho nghich lý đã tồn tại từ lâu rằng khi nhiều virut lây nhiễm một tế bào, những virut đó có thể cùng đưa ra quyết định không giống với biểu hiện của chúng khi hoạt động riêng lẻ”