Loài amip thách thức giới hạn chịu nhiệt của sinh vật phức tạp

Tại các suối nước nóng ở Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen thuộc bang California (Mỹ), các nhà khoa học đã phát hiện ra một sinh vật đơn bào nhân thực mang tên Incendiamoeba cascadensis, còn gọi là amip lửa. Loài sinh vật này có khả năng phân chia và nhân đôi tế bào ở mức nhiệt độ 63 độ C, đồng thời tiếp tục duy trì hoạt động di chuyển tìm thức ăn ở nhiệt độ lên tới 64 độ C. Phát hiện mới đã chính thức vượt qua kỷ lục chịu nhiệt 60 độ C từng ghi nhận ở một số loài tảo đỏ và nấm, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc xác định lại giới hạn chịu nhiệt của các cấu trúc tế bào phức tạp. [1]

Ranh giới chịu nhiệt của nhóm tế bào có màng nhân

Sự sống trên Trái Đất được phân chia thành hai nhóm cấu trúc chính là sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực. Sinh vật nhân sơ gồm vi khuẩn và vi cổ khuẩn có cấu tạo đơn giản, không sở hữu màng nhân bao bọc vật chất di truyền hay các bào quan có màng ngăn. Chính sự tối giản này giúp sinh vật nhân sơ ít bị tổn thương trước những điều kiện môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ quá cao, độ axit lớn hoặc bức xạ mạnh. [1]

Ngược lại, sinh vật nhân thực bao gồm từ các loài tảo đơn bào cho đến thực vật và động vật đa bào có cấu trúc tế bào phức tạp hơn nhiều. Tế bào của chúng chứa màng nhân bảo vệ thông tin di truyền fragile cùng các bào quan chuyên biệt như ti thể và lưới nội chất. Trong một thời gian dài, nhiều giả thuyết khoa học cho rằng các màng bào quan ở sinh vật nhân thực khó có thể duy trì tính bền vững ở nhiệt độ trên 62 độ C. Việc amip lửa tồn tại và phân chia ổn định ở 63 độ C đã trực tiếp bác bỏ giả định này. [1]

Cơ chế phân tử giúp amip lửa tồn tại trong nước nóng

Ở nhiệt độ cao, các liên kết phân tử cấu tạo nên protein và axit nucleic dễ bị đứt gãy, dẫn đến việc biến tính protein và làm tan rã màng tế bào. Để đối phó với hiện tượng này, amip lửa đã tiến hóa những chiến lược sinh học đặc biệt được ghi nhận thông qua phân tích trình tự gene. [1]

Bộ gene của amip lửa chứa nhiều đoạn mã giúp ổn định cấu trúc DNA và bảo vệ vật chất di truyền khỏi nguy cơ bị phân hủy khi nhiệt độ tăng cao. Khi môi trường nóng lên, sự biểu hiện của một số gene tăng mạnh, đặc biệt là các gene chịu trách nhiệm duy trì sự cuộn gập chính xác của phân tử protein. Ngoài ra, một số protein trong tế bào amip lửa sở hữu tích điện bề mặt dương cao. Đặc điểm điện tích này tương tự như cơ chế tìm thấy ở các vi khuẩn và vi cổ khuẩn ưa nhiệt, giúp protein giữ vững cấu trúc hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. [1]

Dấu vết di truyền trên quy mô toàn cầu

Không chỉ dừng lại ở việc phân tích các mẫu vật thu thập tại California, các nhà nghiên cứu đã tiến hành đối chiếu dữ liệu di truyền của amip lửa với các cơ sở dữ liệu địa nhiệt toàn cầu. Kết quả so sánh cho thấy những đoạn DNA tương đồng xuất hiện trong các mẫu môi trường địa nhiệt tại New Zealand và Vườn Quốc gia Yellowstone. [1]

Sự xuất hiện của các đoạn mã di truyền này gợi ý rằng amip lửa không phải là một hiện tượng đơn lẻ. Những họ hàng chưa được khám phá của loài amip chịu nhiệt này có thể đang phân bố tại nhiều hệ sinh thái nước nóng khác nhau trên thế giới, chờ đợi được phát hiện và nghiên cứu chuyên sâu. [1]

Tầm nhìn đối với ngành sinh học vũ trụ

Các sinh vật sống được ở điều kiện môi trường cực đoan, hay còn gọi là sinh vật cực biên, luôn là đối tượng nghiên cứu quan trọng của ngành sinh học vũ trụ. Việc thấu hiểu giới hạn chịu đựng về sinh hóa và sinh lý của sinh vật cực biên trên Trái Đất giúp các nhà khoa học tại NASA mở rộng phạm vi tìm kiếm các dấu hiệu sinh học trên những hành tinh khác. [1]

Dù vậy, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng sự tồn tại của một sinh vật nhân thực phức tạp như amip lửa không chỉ phụ thuộc duy nhất vào yếu tố nhiệt độ. Một tế bào duy trì sinh trưởng cần có sự hỗ trợ của cả hệ sinh thái xung quanh với độ pH, áp suất, lượng ôxy, nguồn nước và nguồn thức ăn phù hợp. Hiện tại, Trái Đất vẫn là nơi duy nhất được xác nhận cung cấp đầy đủ các yếu tố môi trường đồng bộ này. [1]

Tiềm năng trong lĩnh vực công nghệ sinh học

Bên cạnh giá trị lý thuyết về nguồn gốc và giới hạn sự sống, các sinh vật cực biên còn mang lại tiềm năng ứng dụng thực tiễn lớn. Những protein và enzyme chịu nhiệt được chiết xuất từ các sinh vật này có khả năng hoạt động bền bỉ trong các điều kiện phản ứng khắc nghiệt. [1]

Nghiên cứu về cơ chế tự bảo vệ của amip lửa đóng góp những dữ liệu quan trọng cho ngành công nghệ sinh học, mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các enzyme chịu nhiệt ứng dụng cho công nghiệp chế biến và y học hiện đại. [1]