Sinh vật đơn bào trong ao nước ngọt và phát hiện phá vỡ quy tắc mã di truyền kinh điển

Một mẫu vi sinh vật thu thập từ ao nước ngọt tại Công viên Đại học Oxford đã mang đến bất ngờ lớn cho các nhà khoa học khi sở hữu cách đọc mã di truyền hoàn toàn khác biệt với các quy tắc sinh học thông thường. Sinh vật đơn bào thuộc nhóm sinh vật nhân thực này đã biến đổi hai tín hiệu vốn dùng để đánh dấu điểm kết thúc của gene thành chỉ dẫn tạo ra hai axit amin hoàn toàn riêng biệt. Sự kiện này thách thức một giả định đã tồn tại lâu nay rằng hai mã tín hiệu dừng này luôn tiến hóa song hành cùng nhau để mang cùng một ý nghĩa. [1]

Cuộc thử nghiệm kỹ thuật dẫn tới phát hiện ngoài dự kiến

Tiến sĩ Jamie McGowan cùng các đồng nghiệp tại Viện Earlham và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Thomas Richards thuộc Đại học Oxford ban đầu chỉ muốn thử nghiệm một quy trình giải trình tự DNA mới. Phương pháp này hướng tới việc phân tích các lượng vật liệu di truyền cực nhỏ, thậm chí chỉ từ một tế bào duy nhất của các sinh vật khó nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Đối tượng thử nghiệm là một sinh vật đơn bào thuộc nhóm nguyên sinh vật (protist) được thu thập từ một ao nước ngọt nhỏ tại Anh. [1]

Tuy nhiên, khi tiến hành lắp ráp và phân tích bộ gene của sinh vật chưa từng được mô tả này — mang tên Oligohymenophorea sp. PL0344 — nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra các chỉ dẫn di truyền của nó hoạt động theo một tập hợp quy tắc rất bất thường. Phát hiện công bố trên tạp chí PLOS Genetics vào tháng 10 năm 2023 đã cho thấy mức độ linh hoạt chưa từng ghi nhận ở một trong những hệ thống sinh học cốt lõi nhất của sự sống. [1]

Cách mã di truyền điều phối quá trình tổng hợp protein

Để hiểu vì sao hiện tượng này gây kinh ngạc, cần nhìn lại cách các tế bào chuyển đổi thông tin di truyền thành protein. DNA lưu trữ thông tin cần thiết để xây dựng và duy trì cấu trúc tế bào. Khi tổng hợp protein, đoạn mã DNA được chép sang RNA thông tin để đưa tới ribosome, nơi đọc từng cụm ba ký tự di truyền gọi là codon. Mỗi codon thông thường sẽ chỉ định một axit amin cụ thể để xâu chuỗi thành protein. [1]

Trong chuỗi chỉ dẫn đó, ngoài tín hiệu khởi đầu, luôn cần các mã dừng để thông báo cho ribosome biết quá trình dịch mã đã hoàn tất và giải phóng chuỗi protein hoàn chỉnh. Trên RNA thông tin, các tín hiệu dừng tiêu chuẩn thường là UAA, UAG và UGA (tương ứng với TAA, TAG và TGA trên DNA). Trong suốt lịch sử tiến hóa lâu dài của đa số các dạng sống, các tín hiệu kết thúc này giữ nguyên chức năng như những dấu chấm câu trong văn bản. [1]

Sự phá vỡ giả định kinh điển về hai tín hiệu kết thúc

Dù một số sinh vật đơn bào thuộc nhóm trùng lông (ciliates) từng được biết đến với việc sử dụng mã di truyền biến đổi, các nhà khoa học trước đó vẫn quan sát thấy một quy luật nhất định. Đó là khi hai tín hiệu TAA và TAG thay đổi chức năng và không còn làm nhiệm vụ dừng quá trình dịch mã, chúng gần như luôn tiến hóa song hành và chuyển sang mã hóa cho cùng một loại axit amin. [1]

Bộ gene của sinh vật Oligohymenophorea sp. PL0344 lại trình bày một kịch bản hoàn toàn khác. Thay vì dừng dịch mã, TAA được dùng để mã hóa cho axit amin lysine, trong khi TAG lại mã hóa cho glutamic acid — hai axit amin có đặc tính hóa học và vai trò sinh học riêng biệt. Trong khi đó, TGA trở thành tín hiệu dừng tiêu chuẩn duy nhất còn lại của sinh vật này. Đây là trường hợp đầu tiên ghi nhận hai mã kết thúc truyền thống bị thay đổi để đại diện cho hai axit amin khác nhau, phá vỡ định kiến về sự ràng buộc tiến hóa giữa chúng. [1]

Giải mã cơ chế giúp tế bào vận hành bộ mã bất thường

Việc thay đổi ý nghĩa của các mã dừng đòi hỏi sinh vật phải sở hữu bộ máy sinh học phù hợp để tránh hỗn loạn trong quá trình tổng hợp protein. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện các gene RNA vận chuyển (tRNA) chuyên biệt tương ứng với các codon đã được gán lại nghĩa. RNA vận chuyển đóng vai trò như người phiên dịch, giúp khớp thông tin trên RNA thông tin với các axit amin tương ứng, xác nhận rằng bộ mã dị biệt này là đặc tính sinh học thực sự chứ không phải lỗi giải trình tự. [1]

Bên cạnh đó, phân tích DNA cũng cho thấy số lượng mã TGA xuất hiện với mật độ cao bất thường ngay sau các vùng mã hóa protein. Cấu trúc này hoạt động như một hệ thống dự phòng hiệu quả. Trong trường hợp ribosome vô tình đọc lướt qua điểm kết thúc dự kiến, mã dừng TGA phía sau sẽ kịp thời ngăn cản việc kéo dài chuỗi protein quá mức. Điều này rất quan trọng đối với một sinh vật chỉ còn phụ thuộc vào một mã dừng tiêu chuẩn duy nhất. [1]

Chặng đường mở rộng và những chân trời di truyền chưa biết

Sự phá vỡ quy tắc ở loài PL0344 đã thúc đẩy các cuộc điều tra tiếp theo trên nhiều dòng sinh vật đơn bào khác. Vào tháng 12 năm 2024, các phát hiện công bố trên PLOS Genetics cho thấy sự thay đổi mã di truyền đã diễn ra độc lập ở nhiều dòng trùng lông Phyllopharyngea, bao gồm các mẫu thu thập từ Bắc Băng Dương và Nam Băng Dương qua dự án TARA Oceans. Trong một số loài như Hartmannula sinica và Trochilia petrani, tín hiệu UAG đã chuyển sang mã hóa cho glutamine thay vì dừng dịch mã. [1]

Đến tháng 3 năm 2026, nghiên cứu trên tạp chí Microbial Genomics áp dụng kỹ thuật giải trình tự đơn tế bào đối với nhóm nguyên sinh vật Bodo cũng tiếp tục hé lộ nhiều dòng tiến hóa cùng các vi khuẩn cộng sinh chưa từng biết tới. Những phát hiện nối tiếp cho thấy thế giới vi sinh vật còn ẩn chứa vô số biến thể sinh học vượt ngoài các bộ quy tắc quen thuộc. Việc hiểu rõ tính linh hoạt tự nhiên của bộ mã di truyền không chỉ mở rộng kiến thức về tiến hóa mà còn mang lại gợi ý quan trọng cho lĩnh vực sinh học tổng hợp trong tương lai. [1]