Một nghiên cứu mới cho thấy vai trò quan trọng của các túi ngoại bào trong việc chuyển gen bên giữa các vi sinh vật biển. Khám phá này thách thức các quan điểm hiện tại về cơ chế trao đổi gen và đề xuất một thuật ngữ mới “DNA ngoại bào được bảo vệ” (peDNA) để bao hàm nhiều loại vectơ gen khác ngoài virus, chỉ ra những hướng đi mới cho nghiên cứu trong tương lai ở các hệ sinh thái khác nhau.

Các túi ngoại bào đóng góp nhiều hơn vào việc chuyển gen bên trong đại dương so với suy nghĩ trước đây.

Đại dương chứa đầy các vi sinh vật tham gia vào quá trình trao đổi năng động vật liệu di truyền. Quá trình này, được gọi là chuyển gen ngang (HGT), đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của nhiều loài và là yếu tố chính trong sự lây lan tính kháng vi khuẩn. Theo truyền thống, sự trao đổi gen này được cho là xảy ra chủ yếu thông qua tiếp xúc trực tiếp với tế bào, DNA trôi nổi tự do hoặc virus.

Một nghiên cứu do Suzanne Erdmann từ Viện Vi sinh vật biển Max Planck ở Bremen dẫn đầu hiện cho thấy cái gọi là túi ngoại bào cũng rất quan trọng đối với việc truyền thông tin di truyền trong đại dương và do đó đối với sự sống của những cư dân nhỏ nhất ở đó.

Vi rút, GTA, EV: Nhỏ và Nhiều

Hầu hết các vi rút đều rất nhỏ. Có tới 10 triệu virus có thể được tìm thấy trong mỗi giọt nước biển. Chúng không chỉ đóng gói vật liệu di truyền (bộ gen) của riêng mình mà còn chuyển các phần DNA của vật chủ (tức là DNA của sinh vật mà chúng lây nhiễm) vào các tế bào khác.

Nghiên cứu virus là một công việc cực kỳ khó khăn. Các mẫu nước biển phải được lọc qua bộ lọc có kích thước lỗ chân lông chỉ 0,2 micron (nhỏ hơn khoảng 300 lần độ dày của một sợi tóc người) để tách virus và tế bào. Ngoài virus, những mẫu được lọc này còn chứa cái gọi là tác nhân chuyển gen (GTA) và túi ngoại bào (EV).

Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck ở Bremen cũng đã thu thập các mẫu nước gần đảo Helgoland ở Biển Bắc. Nguồn hình ảnh: Viện Vi sinh vật biển SilviaVidal/Max Planck

GTA là các hạt giống vi-rút có chức năng đóng gói đặc biệt DNA của vật chủ. EV là những túi nhỏ được bao bọc bởi màng tách ra khỏi bề mặt tế bào chủ. Những EV này có thể chứa nhiều loại phân tử. Ngoài enzyme, chất dinh dưỡng và RNA, chúng thường vận chuyển các đoạn DNA.

Erdmann và nhóm của cô hiện đã chỉ ra rằng, trái ngược với các giả định trước đó, có một lượng đáng kể DNA vật chủ trong các mẫu nước biển đã lọc không được virus vận chuyển. Chứng minh điều này là vô cùng phức tạp. Edmann, người đứng đầu Nhóm nghiên cứu Max Planck về Virus học khảo cổ tại Viện Max Planck ở Bremen, giải thích: “Sau khi giải trình tự (tức là đọc DNA của vật chủ), chúng tôi không còn có thể phân biệt được làm thế nào nó xâm nhập vào các mẫu của chúng tôi. Nhưng không có dấu hiệu nào cho thấy trình tự đó là do một cơ chế vận chuyển cụ thể”.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thủ thuật. Ở bước đầu tiên, họ gán từng chuỗi DNA cho vật chủ mà nó xuất phát ban đầu. Sau đó, họ xác định cơ chế vận chuyển chính cho từng máy chủ nếu có thể - tức là thông qua virus, GTA hoặc EV. Bằng cách này, họ có thể chỉ định cơ chế vận chuyển tiềm năng cho một trình tự DNA cụ thể.

Edelman cho biết: "Kết quả thật đáng ngạc nhiên: Rõ ràng, một phần lớn DNA được vận chuyển không phải qua con đường truyền thống mà qua các túi ngoại bào. Mất đi.Dominik Lücking, một nghiên cứu sinh trong nhóm nghiên cứu của Edman và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích: "Các túi ngoại bào từ lâu đã được coi là chất thải của tế bào. Chỉ trong 15 năm qua, các nhà khoa học mới có thể chứng minh được các chức năng khác nhau của chúng đối với tế bào. Nghiên cứu của chúng tôi nhấn mạnh rõ ràng vai trò cơ bản của các túi ngoại bào trong việc trao đổi vật liệu di truyền giữa các tế bào".

Do đó, tác giả đề xuất thay đổi thuật ngữ. Lücking nói: “Theo truyền thống, khi DNA được chiết xuất và giải trình tự từ phần 0,2 micron, chúng ta đang nói về virome, metagenome rất giàu virus”. "Tuy nhiên, theo cách này, chúng tôi bỏ qua sự đa dạng của các hạt không giống vi-rút khác trong phân đoạn này, chẳng hạn như EV. Do đó, chúng tôi đề xuất gọi phần này là 'DNA ngoại bào được bảo vệ', hay peDNA." Erdmann nói: “Danh pháp mới sẽ cho phép chúng ta nói rõ hơn về các cơ chế và quy trình không được đề cập trong thuật ngữ virion”.

Nghiên cứu này có thể hướng dẫn nghiên cứu trong tương lai và đánh giá vai trò của các túi ngoại bào trong các môi trường khác như đất, hệ thống nước ngọt hoặc ruột người. "Với vai trò quan trọng của việc chuyển gen bên trong nhiều hệ sinh thái, chúng tôi chắc chắn rằng còn nhiều điều bất ngờ nữa trên con đường phía trước."