Chantal Abergel và Jean-Michel Claverie đã quen với việc tìm kiếm các loài virus lạ.

Cặp vợ chồng chuyên gia virus học, hiện đang làm việc tại Đại học Aix-Marseille, đã xây dựng sự nghiệp của họ dựa trên việc này. Tuy nhiên pithovirus, loại virus mà họ phát hiện vào năm 2013 trong một mẫu đất ở Siberian đã bị đóng băng trong hơn 30.000 năm, kì lạ hơn những điều cặp đôi này có thể tưởng tượng về virus.

Trong thế giới vi sinh vật, virus rất bé nhỏ – bé nhỏ khét tiếng. Pithovirus thì không như vậy. Là loài virus lớn nhất từng được phát hiện, pithovirus còn lớn hơn một số loài vi khuẩn. Hầu hết các loài virus tự nhân bản bằng cách chiếm đoạt cơ quan phân tử của vật chủ. Nhưng pithovirus độc lập hơn, sở hữu một số cơ quan nhân bản của riêng mình.

Số lượng gen tương đối lớn của pithovirus cũng có sự khác việt với những loài virus khác, chúng thường đơn giản về mặt di truyền – loài virus nhỏ nhất có khoảng bốn gen. Pithovirus có khoảng 500 gen, và một số được sử dụng cho các nhiệm vụ phức tạp như tổng hợp protein và sửa chữa cũng như tái tạo ADN.

“Nó rất khác với những gì chúng ta được dạy về virus,” Abergel cho biết.

Được tiết lộ lần đầu tiên vào tháng Ba, sự phát hiện tuyệt vời đó không chỉ mở rộng những khái niệm của các nhà khoa học về khả năng của virus. Nó đang định hình lại những tranh luận về nguồn gốc của sự sống.

Nguyên liệu thô cho Sự sống

Các nhà khoa học với lối suy nghĩ truyền thống cho rằng virus là những kẻ đến sau trong nấc thang tiến hóa, nổi lên sau sự xuất hiện của các tế bào.

“Chúng dựa vào hệ thống cơ quan tế bào để thuận lợi cho sự nhân bản của mình, vậy nên chúng cần có một số tế bào nguyên thủy để có thể sử dụng được cơ chế đó,” Jack Szostak, một nhà hóa sinh tại Đại học Harvard từng nhận giải Nobel cho biết. Nói cách khác, virus chiếm đóng tế bào, vì thế thiếu tế bào, virus không thể tồn tại.

Các thuyết chủ đạo về nguồn gốc của virus đề xuất rằng chúng xuất hiện từ một loại tế bào thoái hóa đã mất khả năng tái tạo hoặc từ những gen đã thoát khỏi ranh giới tế bào của chính bản thân chúng.

Nhưng một số nhà khoa học cho rằng việc phát hiện ra các virus khổng lồ có thể thay đổi góc nhìn về sự sống đó trên virus. Họ đề xuất rằng tổ tiên của virus hiện đại, còn xa mới thành những kẻ chậm trễ trong tiến hóa, có thể đã cung cấp nguyên liệu thô cho sự phát triển của sự sống tế bào và hỗ trợ định hướng cho sự đa dạng của chúng vào những sinh vật khác nhau để phủ kín mọi ngóc ngách trên hành tinh.

“Những loài virus khổng lồ này là minh chứng hoàn hảo về một thế giới của những yếu tố đơn giản giống với virus có thể phát triển thành điều gì đó phức tạp hơn,” Eugene Koonin, một nhà sinh học tính toán tại Viện Nghiên cứu Sức khỏe Quốc gia cho biết. Koonin đã mô tả thuyết của ông về một nguồn gốc của sự sống virus trong một bài báo được công bố vào tháng Sáu trên tạp chí Microbiology and Molecular Biology Reviews.

Ông và các cộng sự khác đang tích lũy bằng chứng chứng minh những yếu tố tương tự virus thúc đẩy một số giai đoạn quan trọng nhất trong sự xuất hiện sự sống: sự tiến hóa của ADN, sự hình thành những tế bào đầu tiên, và phân chia sự sống thành ba miền – Vi khuẩn cổ (archaea), vi khuẩn (bacteria), và sinh vật nhân chuẩn (eukaryotes). Vi khuẩn cổ và vi khuẩn đều là sinh vật đơn bào, còn sinh vật nhân chuẩn nổi lên sau một phản ứng hợp nhất cổ xưa giữa một nhóm vi khuẩn cổ và một nhóm vi khuẩn.

Các thuyết chủ đạo về nguồn gốc của virus đề xuất rằng chúng xuất hiện từ một loại tế bào thoái hóa đã mất khả năng tái tạo hoặc từ những gen đã thoát khỏi ranh giới tế bào của chính bản thân chúng.

Những virus khổng lồ đầu tiên được mô tả vào năm 2003, bắt đầu với sự thay đổi trong dòng suy nghĩ ở một số nhà khoa học. Những thực thể này đại diện cho một loại virus hoàn toàn mới. Thật vậy, mẩu đầu tiên – phân lập từ một amip1 sống trong một kho lạnh tại Anh – kì lạ tới mức khiến các nhà khoa học mất nhiều năm để hiểu được những gì đã diễn ra.

Đầu tiên họ giả định rằng những đốm vô định hình đó là một nhóm vi khuẩn. Nó có kích thước tương tự những loài vi khuẩn khác và trở thành một màu chàm rực khi được nhuộm với một hóa chất chỉ bám dính với một số loài vi khuẩn. Họ cứ thử làm, mặc dù ngay cả một nhóm những nhà vi sinh vật xuất sắc của Anh cũng khó lòng phát triển vi khuẩn trong phòng thí nghiệm. Bởi nhiều loại vi khuẩn rất khó, nếu không muốn nói là không thể, để phát triển trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã không nghĩ nhiều về điều đó và để mẫu lại vào kho đông lạnh.

Gần một thập kỷ sau, một học viên cao học hiếu kỳ tại Anh đã mang mẫu sinh vật này tới cho Didier Raoult, một nhà vi sinh vật học tại Pháp chuyên về sự khó khăn trong phát triển vi khuẩn. Ông xem xét những mẫu này, khác ở chỗ lần này là xem với một chiếc kính hiển vi điện tử hiện đại. Cũng tình cờ, Abergel và Claverie đang hợp tác với ông ở một dự án khác. Họ ngay lập tức nhận ra hình thù của sinh vật giống với virus – tưởng tượng hình dáng một khối 20 mặt, với mỗi mặt là một tam giác – mặc dù mẫu này lớn hơn vài lần so với bất kỳ virus nào từng được biết đến.

Với một số lượng gen đáng kinh ngạc, xấp xỉ 2.500, pandoravirus dường như báo hiệu về một nhóm hoàn toàn mới trong sự sống của virus.

Khi Abergel và Claverie quan sát hệ gen của virus, họ phát hiện ra nó bao gồm gần một nghìn gen – tương đương một số loài vi khuẩn. Các nhà khoa học đặt tên là mimivirus, cho những virus giống với vi khuẩn, bởi amip hóa ra có sự nhầm lẫn trong bữa tiệc vi khuẩn thông thường của chúng.

Khổng lồ, nhưng chưa được phát hiện

Abergel and Claverie nghi ngờ rằng những virus khổng lồ có rất nhiều trong giới tự nhiên nhưng không bị phát hiện bởi kích thước của chúng. Họ lấy những mẫu nước đầy amip từ hầu hết những địa điểm họ tới. Trong số hai mẫu – một từ dòng suối tại Melbourne, Australia, và một từ ngoài khơi vùng biển Chile – họ phát hiện một virus thậm chí còn lớn hơn đang phát triển trong amip, họ đặt tên cho nó là Pandoravirus và đã mô tả trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science vào năm ngoái. (Bài viết liên quan: “Biggest Virus Yet Found, May Be Fourth Domain of Life?”)

“Chúng tôi lặp đi lặp lại mỗi thí nghiệm mười lần bởi loại virus này rất kì lạ,” Abergel cho biết. “Chúng tôi vẫn nghĩ rằng mình đã phạm một sai lầm.”

Với một số lượng gen đáng kinh ngạc, xấp xỉ 2.500, pandoravirus dường như báo hiệu về một nhóm hoàn toàn mới trong sự sống của virus. “Hơn 90 phần trăm các gen này không giống bất kì dữ liệu nào đã được tìm thấy trên Trái đất,” Abergel cho hay. “Chúng tôi đang mở ra chiếc hộp Pandora, và chúng tôi chẳng biết bên trong có thể có những gì.”

Sau đó, mới vài tháng trước, họ tìm ra pithovirus, đến lạ là nó có cùng kích thước và số lượng gen với pandoravirus. Những gen kì lạ này ngay lập tức hướng các nhà khoa học suy đoán về nguồn gốc của những loài virus khổng lồ. Vì bộ gen của pithovirus quá khác so với những gì các nhà khoa học từng biết, có khả năng là tổ tiên của những virus khổng lồ đã phát triển sớm trong lịch sử của sự sống.

Tuy nhiên ý tưởng này mâu thuẫn với quan điểm chung đã được chấp nhận là virus không tiến hóa cho đến mãi sau này. Những virus khổng lồ cung cấp cơ hội hoàn hảo cho nghiên cứu cách thức tiến hóa của virus, bởi chúng là họ hàng duy nhất có quan hệ với những virus khác và khả năng là một viễn cảnh vẫn chưa hé lộ về sự tiến hóa của virus. Nhưng chính xác thì virus xuất hiện từ bao giờ – trước hay sau sự phát triển của sự sống tế bào? (Xem thêm “Ancient Virus DNA Gives Stem Cells the Power to Transform.”)

Thế giới Virus

Koonin là một thành viên kiên quyết của phe “trước.” Theo học thuyết của ông, có tên là Thế giới Virus, tổ tiên của virus hiện đại xuất hiện khi tất cả sự sống vẫn là một bể trôi nổi của thông tin di truyền, axit amin, và lipit. Những mảnh sớm nhất của vật chất di truyền là những mảnh ngắn của ARN với tương đối ít gen thường kí sinh ở những mảnh nổi khác của vật chất di truyền để tự sao chép. Những mảnh thông tin di truyền trần trụi hoán đổi các gen tại một chợ trời gen nguyên sinh, thích hợp di truyền lại từ các yếu tố khác và loại bỏ các gen không còn cần thiết nữa.

Một trong những lý do chúng ta biết đến loài người có nguồn gốc ở châu Phi là sự đa dạng di truyền giữa dân cư của lục địa đó nhiều hơn ở những nơi khác.

Koonin lập luận, theo thời gian, các yếu tố di truyền kí sinh vẫn không có khả năng tự tái tạo và phát triển thành loại virus hiện đại như ngày nay đánh cắp từ tế bào chủ của chúng. Các gen kí sinh bắt đầu phát triển các loại thông tin di truyền khác nhau và các rào cản khác để bảo vệ chính mình khỏi những kẻ ăn bám di truyền (genetic freeloaders), mà cuối cùng sẽ phát triển thành tế bào.

Thuyết Thế giới Virus có mối liên hệ chặt chẽ với thuyết Thế giới ARN, thuyết nói về sự phát triển đầu tiên của sự sống như những mảnh nhỏ ARN phát triển chậm rãi thành ADN phức tạp trong các sinh vật. Thuyết Thế giới Virus đồng tình rằng nguyên liệu di truyền của sự sống bắt đầu bằng ARN. Nhưng khác nhau bởi tranh cãi cho rằng tổ tiên của virus phát triển trước tế bào.

Những người ủng hộ chỉ ra một vài bằng chứng. Trước tiên, sự đa dạng của virus vượt xa những gì tìm thấy được ở sự sống tế bào.

“Sự đa dạng nằm ở đâu, nguồn gốc nằm ở đó,” Valerian Dolja, một nhà virus học và sinh học tế bào thực vật tại Đại học bang Oregon, người cộng tác cùng Koonin, cho biết. (Xem thêm hình ảnh về virus.)

Theo quan điểm này, nếu virus phát triển từ tế bào, chúng sẽ ít đa dạng hơn bởi các tế bào bao hàm toàn bộ phạm vi của các gen hoạt động ở virus. Đó là một chủ đề lặp đi lặp lại của sinh học tiến hóa: Một trong những lý do chúng ta biết đến loài người có nguồn gốc ở châu Phi là sự đa dạng di truyền giữa dân cư của lục địa đó nhiều hơn ở những nơi khác. Nếu mô hình của sự đa dạng này đúng với loài người, Dolja cho biết, không có lý do nào để nó không đúng với virus.

Virus cũng đa dạng hơn khi nói đến việc sinh sản. “Các tế bào chỉ chỉ có hai cách chính để tái tạo ADN của chúng,” Patrick Forterre, một nhà virus học tại Đại học Paris-Sud cho biết. “Một cách được tìm thấy ở vi khuẩn, cách khác ở Vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn.”  Mặt khác, virus có nhiều phương pháp hơn, ông cho hay.

Forterre đưa ra giả thuyết rằng virus tiến hóa sau các tế bào nguyên thủy nhưng trước các tế bào hiện đại. Một số loại virus lan truyền ở  ba miền khác nhau của sự sống chia sẻ một vài protein giống nhau, cho thấy rằng chúng có thể đã tiến hóa trước khi sự sống phân chia thành ba nhánh. (Theo dõi bài viết tại blog: “An Infinity of Viruses.”)

Forterre vẫn chưa xác định được bất kì loại protein nào trong tế bào sống, ngoại trừ trong một đoạn ADN với kết quả rõ ràng về việc cấy gen của virus.

“Virus đã phải tồn tại trước tổ tiên chung cuối cùng của tất cả sự sống trên Trái đất,” Forterre cho biết.

Tồn tại hay Không?

Virus khổng lồ đã làm mờ nhạt thêm định nghĩa về những ý nghĩa của sự tồn tại. Theo những định nghĩa thông thường, virus truyền thống không còn tồn tại vì chúng thiếu cơ quan để tái tạo gen và chúng phải đánh cắp những thứ tìm thấy được trong tế bào chủ của chúng.

Nhưng virus khổng lồ dường như nằm ở đâu đó giữa vi khuẩn và virus – tồn tại hay không. Chúng có những gen liên quan đến nhân bản, điều này chỉ ra rằng chúng có thể từng là những sinh vật sống tự do đã thoái hóa trở thành virus.

Bất kể khi nào bạn trộn lẫn những phân tử ARN nhỏ với nhau, bạn có được những chuỗi kí sinh gần như chẳng làm được gì ngoại trừ tự nhân bản nhanh hơn bất kể thứ gì.

Một số nhà nghiên cứu chỉ ra rằng điều này có nghĩa rằng chúng xứng đáng có một nhánh của mình trên cây sự sống, tạo ra một miền thứ tư có thể khác với ba miền kia – Vi khuẩn cổ, vi khuẩn, và sinh vật nhân chuẩn – mà gần như chưa được đụng tới. Cũng hỗ trợ cho ý tưởng nhánh virus khổng lồ là sự độc đáo trong di truyền của chúng: Virus khổng lồ có những gen bất thường không thể tìm thấy ở những nhánh khác của cây sự sống.

Mặc dù gen của chúng khác thường, virus khổng lồ đã được nhóm vào một gia đình lớn hơn của virus được gọi là virus ADN lớn nucleocytoplasmic, trong đó bao gồm cả đậu mùa. Virus khổng lồ phức tạp hơn nhiều so với đậu mùa, vì thế ban đầu các nhà khoa học nghĩ rằng chúng tiến hóa chậm hơn trong họ hàng virus truyền thống của mình. Nhưng nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng những loại virus này đã tiến hóa rất sớm trong lịch sử của sự sống.

Gustavo Caetano-Anolles, một chuyên gia tin sinh học tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign, đã lần theo lịch sử tiến hóa của những protein tìm thấy trong một vài virus khổng lồ vào một nghiên cứu năm 2012 đăng trên tạp chí BMC Evolutionary Biology.

Công trình của ông cho thấy các virus này “đại diện cho một hình thức của sự sống mà cả hai xuất hiện trước hoặc cùng chung sống với tổ tiên chung cuối cùng,” các sinh vật gần đây nhất mà từ đó tất cả những sinh vật khác trên Trái đất đều là hậu duệ. Nếu virus khổng lồ giống như Caetano-Anolles tính toán, những tác động của chúng thật đáng kinh ngạc. Điều đó có nghĩa rằng một loại virus khổng lồ hoặc một trong những tổ tiên của chúng đã tồn tại trước các dạng khác của sự sống và có thể đã đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành sự sống như những gì chúng ta đã biết. Điều này có thể có nghĩa rằng các loài virus là một trong những lực lượng tiến hóa chiếm ưu thế trên hành tinh này và mỗi sinh vật có một quá khứ sâu thẳm là virus. (Đọc thêm “Small, Small World” tại Tạp chí National Geographic.)

Szostak đồng tình với Koonin và các cộng sự khác rằng virus là một lực lượng tiến hóa hùng hậu và chúng đã tiến hóa sớm hơn các nhà khoa học từng nghĩ trước đây. Tuy nhiên, ông phân biệt giữa các yếu tố di truyền kí sinh (những mảnh nguyên liệu di truyền nhỏ sử dụng những mảnh khác của nguyên liệu di truyền để tạo ra bản sao của chính mình), những yếu tố mà ông ấy đồng ý giống như hiện nay trước sự phát triển của tế bào, và những virus thực thụ, loại sinh vật không thể tồn tại nếu thiếu tế bào.

Virus khổng lồ có thể đã tiến hoá từ một nhánh tế bào đã bị tuyệt chủng.

“Bất kể khi nào bạn trộn lẫn những phân tử ARN nhỏ với nhau, bạn có được những chuỗi kí sinh gần như chẳng làm được gì ngoại trừ tự nhân bản nhanh hơn bất kể thứ gì.” Szostak cho biết. Với những chuỗi này để trở nên giống với virus hiện đại, chúng cần kí sinh vào một tế bào sống, chứ không chỉ là vào một chuỗi ARN khác.

Dolja không đồng tình, cho rằng tế bào không thể tiến hoá mà không có virus. “Để chuyển từ ARN thành ADN, bạn cần một enzim gọi là sao chép ngược transcriptase,”2 Dolja cho biết. “Nó chỉ được tìm thấy ở những virus như HIV, không phải ở tế bào. Vậy làm thế nào tế bào bắt đầu sử dụng ADN mà không có sự hỗ trợ của virus?”

Tuy vậy, Abergel và Claverie tin rằng virus phát triển từ các tế bào. Trong khi Forterre và các cộng sự cho rằng những những gen độc nhất được tìm thấy ở virus khổng lồ là một dấu hiệu cho thấy chúng tiến hoá trước các tế bào hiện đại, Abergel và Claverie có một cách giải thích khác: Virus khổng lồ có thể đã tiến hoá từ một nhánh tế bào đã bị tuyệt chủng.

Theo thuyết này, tổ tiên của các virus khổng lồ mất khả năng sao chép như một thực thể sống độc lập và bị buộc phải phụ thuộc vào những tế bào khác để sao chép ADN của chính mình. Những mảnh gen của các tế bào cổ còn tồn tại ở những virus hiện đại như mimivirus, pandoravirus, và pithovirus có thể lý giải các gen độc nhất đã tìm thấy trong nhóm này. “Sự sống không chỉ có một tổ tiên đơn lẻ,” Claverie cho hay. “Nhiều sinh vật giống-tế-bào đã cạnh tranh với nhau, và có một loài chiến thắng, tạo nên nền tảng cơ bản của sự sống như chúng ta biết đến ngày nay.”

Chưa thể khẳng định rằng cuộc tranh luận về thời điểm và cách thức đầu tiên mà virus đã tiến hóa sẽ tới hồi kết – đó là bản chất của việc cố gắng kiếm tìm câu trả lời cho một câu hỏi đã bị phai mờ theo dòng thời gian. Nhưng Abergel và Claverie tiếp tục tin rằng virus khổng lồ sẽ là chìa khóa của mọi câu hỏi được đặt ra về chủ đề này.

Cặp đôi này còn theo đuổi những sự lặp đi lặp lại lớn hơn, kỳ lạ hơn, mà họ hy vọng rằng sẽ hé lộ không chỉ bí ẩn về sự tiến hóa của virus khổng lồ, mà có thể là của tất cả các loài virus.

“Ở mọi nơi chúng tôi tìm kiếm, chúng tôi đều tìm ra virus khổng lồ,” Claverie nói. “Có thể chúng tôi tài giỏi, hoặc có thể những thứ này xuất hiện khắp mọi nơi.”

Câu chuyện này ban đầu xuất hiện trên tạp chí Quanta, một nhánh độc lập của SimonsFoundation.org, với mục đích nâng cao hiểu biết của đại chúng về khoa học thông qua những nghiên cứu và xu hướng trong Toán học, Khoa học tự nhiên và Khoa học đời sống.