Amip lửa phân chia ở 63°C: tế bào phức tạp chống nóng ra sao?

Trong vùng nước nóng của Vườn quốc gia núi lửa Lassen ở California, một loài amip vẫn có thể phân chia ở 63°C. Khi nhiệt độ tăng lên 64°C, nó ngừng sinh sản nhưng còn di chuyển để tìm thức ăn. Sinh vật mang tên Incendiamoeba cascadensis, thường được gọi là “amip lửa”, đã nâng giới hạn sinh sản đã biết của tế bào nhân thực lên cao hơn mức 60°C từng được ghi nhận ở một số loài nấm và tảo đỏ. [1]

Khả năng này không đến từ một “tấm khiên” duy nhất. Kết quả phân tích bộ gene và hoạt động của gene cho thấy amip lửa có nhiều biện pháp phối hợp: ổn định DNA, duy trì trạng thái gấp của protein, cảm nhận môi trường và có thể sử dụng những protein mang đặc điểm giúp chúng bền hơn ở nhiệt độ cao. Phát hiện đáng chú ý vì tế bào nhân thực chứa nhân cùng nhiều bào quan có màng, tạo ra nhiều bộ phận nhạy cảm với nhiệt hơn tế bào đơn giản. [1]

Kỷ lục 63°C thực sự nói lên điều gì?

Con số 63°C là giới hạn quan sát được đối với sự phân chia của I. cascadensis, không phải nhiệt độ cao nhất mà nó còn biểu hiện hoạt động. Ở 64°C, amip vẫn di chuyển và tìm thức ăn nhưng không tiếp tục sinh sản. Sự phân biệt này quan trọng: một tế bào còn chuyển động trong thời gian nhất định chưa đồng nghĩa với việc nó có thể hoàn thành toàn bộ chu trình sống và duy trì quần thể ở nhiệt độ đó. [1]

Để được xem là sinh vật ưa nhiệt theo cách phân loại được NASA nêu, một sinh vật phải có khả năng sinh sản, di chuyển, ăn và tồn tại trên 45°C. Amip lửa vượt xa ngưỡng này. Tuy nhiên, kỷ lục của nó chỉ áp dụng cho các sinh vật nhân thực đã biết, chứ không phải mọi dạng sống. Một số vi khuẩn và cổ khuẩn có cấu trúc tế bào đơn giản hơn và từ lâu đã là trọng tâm của các nghiên cứu về môi trường cực nóng. [1]

Vì sao tế bào nhân thực khó chịu nóng?

Sự sống trên Trái Đất có thể được phân biệt theo hai kiểu tổ chức tế bào lớn. Vi khuẩn và cổ khuẩn thuộc nhóm tế bào nhân sơ: chúng không có nhân riêng hay các bào quan được bao bởi màng. Tế bào nhân thực, bao gồm amip, tảo, nấm, thực vật và động vật, có nhân chứa thông tin di truyền cùng những bào quan như ty thể và lưới nội chất. Mỗi cấu trúc đảm nhiệm một phần công việc, nhưng cũng làm tăng số thành phần phải được bảo vệ. [1]

Có thể hình dung sự khác nhau này qua hai nơi làm việc: một nơi chỉ có một không gian chung, còn nơi kia chia thành nhiều phòng chuyên dụng. Kiểu thứ hai xử lý được các nhiệm vụ phức tạp hơn, nhưng muốn tiếp tục hoạt động thì vách ngăn, thiết bị và nội dung trong từng phòng đều phải nguyên vẹn. Đây chỉ là phép so sánh; trong tế bào, các “vách ngăn” là màng và các “thiết bị” chủ yếu là những hệ thống phân tử phối hợp với nhau.

Nhiệt độ cao gây hại cho tế bào ra sao?

Protein cần giữ một cấu trúc không gian thích hợp để thực hiện chức năng. Nhiệt độ cao có thể làm cấu trúc ấy mất ổn định, khiến các quá trình thiết yếu không còn vận hành đúng. Màng tế bào và màng bào quan cũng có thể bị phá vỡ. Với tế bào nhân thực, tổn thương màng không chỉ ảnh hưởng lớp bao ngoài mà còn đe dọa các khoang chuyên biệt bên trong, bao gồm nhân bảo vệ thông tin di truyền. [1]

Vì thế, việc một tế bào phân chia ở 63°C đòi hỏi nhiều hệ thống cùng vượt qua sức ép của nhiệt. DNA phải được giữ ổn định; protein cần tiếp tục đạt hoặc duy trì hình dạng hoạt động; màng phải còn đủ bền để ngăn cách các bộ phận; đồng thời tế bào phải cảm nhận được môi trường và tìm thức ăn. Chỉ một biểu hiện như chuyển động không thể đại diện cho tất cả các nhiệm vụ này, nên khả năng sinh sản là dấu mốc đặc biệt có ý nghĩa. [1]

Amip lửa có những biện pháp bảo vệ nào?

Khi giải trình tự bộ gene và theo dõi mức hoạt động của gene ở nhiều nhiệt độ, nhóm nghiên cứu nhận thấy nhiều gene liên quan đến việc ổn định DNA và hạn chế sự phân rã của nó. Một số gene khác tham gia cảm nhận điều kiện bên ngoài. Ở nhiệt độ cao, hoạt động của những gene góp phần duy trì quá trình gấp protein cũng tăng lên. Các kết quả này cho thấy phản ứng chịu nhiệt diễn ra trên nhiều mặt, thay vì phụ thuộc vào một cơ chế biệt lập. [1]

Nhóm nghiên cứu còn nhận thấy một số protein của amip có điện tích dương cao trên bề mặt. Đặc điểm tương tự cũng xuất hiện ở protein của vi khuẩn và cổ khuẩn ưa nhiệt, vì vậy nó được xem là một khả năng giúp protein ổn định hơn. Đây là cách giải thích dựa trên đặc điểm phân tử được quan sát, chưa có nghĩa mọi protein mang điện tích như vậy đều chịu nhiệt, hoặc đặc điểm này một mình đủ tạo nên giới hạn 63°C. [1]

Một loài amip thay đổi phạm vi tìm kiếm sự sống thế nào?

Các đoạn DNA tương tự vật liệu di truyền của I. cascadensis còn được nhận ra trong dữ liệu từ những mẫu địa nhiệt ở New Zealand và Vườn quốc gia Yellowstone. Điều đó gợi ý những amip ưa nhiệt có họ hàng với loài này có thể hiện diện tại nhiều nơi khác. Dữ liệu di truyền mới chỉ chỉ ra khả năng tồn tại của các họ hàng chưa được nhận diện đầy đủ; nó không tự động xác nhận rằng tất cả đều có thể sinh sản ở cùng nhiệt độ. [1]

Đối với sinh học vũ trụ, kỷ lục mới mở rộng khoảng điều kiện mà giới nghiên cứu có thể cân nhắc khi tìm kiếm tế bào phức tạp. Trước đây, phần lớn hiểu biết về sự sống trong môi trường cực đoan đến từ vi khuẩn và cổ khuẩn. Amip lửa cho thấy việc có nhân và bào quan không nhất thiết buộc sự sống phải dừng lại dưới ngưỡng nhiệt từng được giả định cho độ ổn định của màng bào quan. [1]

Dẫu vậy, nhiệt độ chỉ là một biến số. Một môi trường còn phải có độ axit, lượng oxy, áp suất, nước và thức ăn phù hợp. I. cascadensis cũng cần những sinh vật khác trong hệ sinh thái để được cung cấp thức ăn, nên phát hiện này không đồng nghĩa một tế bào nhân thực có thể sống đơn độc trên bất kỳ thế giới nóng nào. Giá trị lớn hơn của nó nằm ở chỗ một giới hạn tưởng như gắn với cấu trúc tế bào phức tạp nay đã được đẩy xa thêm. [1]