Carl Woese và cổ khuẩn: cây sự sống chia ba lĩnh vực từ năm 1977

Carl Woese là nhà vi sinh vật học người Mỹ đã phát hiện, năm 1977, rằng một nhóm vi sinh vật trông giống vi khuẩn thật ra là một nhánh sự sống riêng, nay gọi là cổ khuẩn (Archaea). Bằng cách so sánh phân tử ARN trong ribosome, ông vẽ lại cây sự sống thành ba lĩnh vực lớn: Vi khuẩn, Cổ khuẩn và Sinh vật nhân thực, trong đó động vật, thực vật và nấm chỉ là vài cành nhỏ. Đây là một trong những thay đổi lớn nhất về cách phân loại sự sống trong thế kỷ 20.

Trước Woese: cây sự sống nhìn bằng mắt

Từ thời Linnaeus ở thế kỷ 18, sinh vật được chia thành giới Động vật và giới Thực vật. Khi kính hiển vi phát triển, người ta thêm các nhóm cho sinh vật đơn bào. Năm 1969, Robert Whittaker đề xuất hệ thống năm giới được dùng rộng rãi trong nhiều thập kỷ: Khởi sinh (vi khuẩn), Nguyên sinh, Nấm, Thực vật và Động vật. Song song, các nhà vi sinh học chia sự sống thành hai kiểu tế bào: nhân sơ (không nhân) và nhân thực (có nhân).

Vấn đề là vi khuẩn rất khó phân loại theo hình dạng. Chúng nhỏ, hình que, hình cầu, hình xoắn, và hai con vi khuẩn trông giống hệt nhau có thể có lối sống khác hẳn. Thập niên 1960, nhiều nhà vi sinh học thừa nhận gần như không thể dựng cây họ hàng của vi khuẩn bằng cách nhìn.

Ý tưởng của Woese: đọc lịch sử trong ribosome

Carl Woese sinh năm 1928 ở Syracuse, bang New York, mất năm 2012. Ông học vật lý và toán, làm nghiên cứu về sinh lý phân tử, rồi về Đại học Illinois ở Urbana từ năm 1964 và làm việc tại đây suốt phần còn lại của sự nghiệp.

Ông cần một phân tử thoả ba điều kiện: có trong mọi sinh vật, làm cùng một việc ở mọi nơi, và đổi đủ chậm để giữ dấu vết của những lần tách nhánh rất xa xưa. Ông chọn ARN ribosome, cụ thể là phân tử nhỏ trong tiểu đơn vị nhỏ của ribosome, ở vi khuẩn gọi là ARN 16S. Ribosome là cỗ máy dịch mã gen thành protein, mọi tế bào đều có, và vì quá thiết yếu nên nó đổi rất chậm.

Một kỹ thuật vất vả

Thời đó chưa có máy giải trình tự tự động. Nhóm của Woese nuôi vi sinh vật trong môi trường có phốt pho phóng xạ, tách ARN ribosome, cắt nó bằng enzyme thành những mẩu ngắn, rồi tách các mẩu bằng điện di trên giấy, chụp lên phim X-quang. Kết quả là những tấm phim đầy đốm, mỗi đốm là một mẩu ARN. Woese cùng cộng sự đọc từng tấm phim trên bàn đèn, xác định trình tự từng mẩu và lập "danh mục" cho mỗi loài. So sánh danh mục giữa các loài cho biết chúng gần hay xa nhau. Công việc này kéo dài nhiều năm, mỗi loài tốn hàng tuần.

Năm 1977: vi khuẩn sinh mê-tan không phải vi khuẩn

Đồng nghiệp của Woese ở Illinois là Ralph Wolfe, chuyên gia về vi sinh vật sinh mê-tan. Đây là những vi sinh vật sống trong bùn đầm lầy, ruộng lúa ngập nước, dạ cỏ của bò, nơi không có ô-xy, và thải ra khí mê-tan. Chúng trông như vi khuẩn bình thường dưới kính hiển vi.

Khi nhóm phân tích ARN ribosome của chúng, kết quả không khớp với vi khuẩn nào. Chúng cũng không khớp với sinh vật nhân thực. Khoảng cách giữa chúng và vi khuẩn thông thường xa ngang khoảng cách giữa vi khuẩn và con người.

Năm 1977, Woese và George Fox công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) đề xuất rằng sự sống gồm ba nhánh chính, trong đó nhóm sinh mê-tan thuộc nhánh thứ ba mà họ tạm gọi là archaebacteria, tức "vi khuẩn cổ". Chữ "cổ" xuất phát từ ý cho rằng điều kiện sống của chúng giống Trái Đất sơ khai.

Phản ứng của giới khoa học

Phát hiện được báo chí Mỹ đưa tin khá rộng, nhưng trong giới chuyên môn thì nhiều người hoài nghi. Một số nhà vi sinh học và sinh học tiến hoá danh tiếng cho rằng chỉ dựa trên một phân tử là chưa đủ để đảo lộn cách chia sự sống, và rằng hình dạng nhân sơ vẫn là ranh giới cơ bản. Woese, theo các bài viết về ông, có thời gian cảm thấy bị cô lập. Ông không phải là người khéo quảng bá, và nhiều năm chủ yếu làm việc lặng lẽ với nhóm nhỏ.

Bằng chứng tích luỹ và ba lĩnh vực năm 1990

Dần dần, các nghiên cứu khác ủng hộ Woese. Màng tế bào cổ khuẩn dùng một loại lipid có cấu trúc hoá học khác hẳn vi khuẩn và sinh vật nhân thực. Thành tế bào của chúng không có peptidoglycan như vi khuẩn. Bộ máy đọc gen và làm protein của chúng lại có nhiều điểm giống sinh vật nhân thực hơn là giống vi khuẩn.

Năm 1990, Woese cùng Otto Kandler và Mark Wheelis công bố đề xuất chính thức: ba lĩnh vực (domain), cấp phân loại cao hơn giới, gồm Bacteria, Archaea và Eucarya. Họ bỏ chữ "bacteria" khỏi tên cổ khuẩn để nhấn mạnh rằng đây không phải một kiểu vi khuẩn.

Cổ khuẩn có ở khắp nơi

Ban đầu, cổ khuẩn được biết qua những nơi khắc nghiệt: suối nước nóng ở công viên Yellowstone, hồ muối, ruộng muối nhuộm đỏ bởi vi sinh vật ưa mặn, bùn không ô-xy. Từ đó mọc lên hình ảnh "sinh vật cực đoan". Nhưng khi kỹ thuật đọc ARN ribosome trực tiếp từ đất và nước phát triển, không cần nuôi cấy, người ta phát hiện cổ khuẩn có mặt rộng rãi trong đại dương mở, trong đất ruộng, trong ruột người. Một nhóm cổ khuẩn biển có vai trò lớn trong chu trình ni-tơ toàn cầu.

Với Việt Nam, vi sinh vật sinh mê-tan trong ruộng lúa ngập nước là một phần quen thuộc của câu chuyện khí nhà kính từ nông nghiệp. Các kỹ thuật tưới ướt khô xen kẽ được nghiên cứu một phần để giảm hoạt động của chúng.

Cây sự sống hôm nay: hai hay ba lĩnh vực

Phương pháp của Woese cũng mở ra những tranh luận mới. Hai điều đáng biết:

• Chuyển gen ngang: vi sinh vật trao đổi gen với nhau không qua sinh sản, nên cây họ hàng của chúng ở gốc rễ giống một mạng lưới hơn là cây phân nhánh gọn. Woese thừa nhận và viết nhiều về điều này.
• Sinh vật nhân thực mọc từ trong cổ khuẩn: các phát hiện về cổ khuẩn Asgard từ năm 2015 cho thấy tế bào nhân thực có lẽ bắt nguồn từ bên trong nhánh cổ khuẩn, kết hợp với một vi khuẩn trở thành ty thể. Nếu vậy, cây sự sống có hai nhánh gốc, Vi khuẩn và Cổ khuẩn, còn nhân thực là một cành mọc ra từ cổ khuẩn. Nhiều nhà nghiên cứu ủng hộ mô hình hai lĩnh vực này, một số khác thận trọng hơn.

Dù kết quả ra sao, cả hai mô hình đều đứng trên nền móng Woese đặt: đọc lịch sử sự sống bằng trình tự phân tử, và công nhận cổ khuẩn là nhánh riêng.

Góc nhìn hôm nay

Gen ARN 16S mà Woese chọn nay là công cụ hằng ngày của vi sinh học. Khi các nhà khoa học khảo sát hệ vi sinh vật đường ruột, đất trồng hay nước thải, họ thường giải trình tự gen này để biết có những vi sinh vật nào, kể cả những loài chưa nuôi được trong phòng thí nghiệm. Woese nhận Giải Crafoord năm 2003, một giải được trao cho những lĩnh vực không có giải Nobel.

Câu chuyện của ông cho thấy giá trị của việc chọn đúng thước đo. Hình dạng tế bào không đủ để phân biệt vi khuẩn; một phân tử chung cho mọi sinh vật thì đủ. Nó cũng nhắc rằng bức tranh sự sống mà ta học ở trường, với động vật và thực vật ở trung tâm, chỉ là một góc nhỏ của sự đa dạng thật.

Muốn tìm hiểu thêm:

• Xem ảnh vệ tinh hoặc ảnh chụp những ruộng muối có màu hồng đỏ, màu ấy một phần do cổ khuẩn và tảo ưa mặn.
• Đọc thêm về Thermus aquaticus và các vi sinh vật ưa nhiệt ở Yellowstone để thấy sự sống ở nhiệt độ cao.
• Tìm hiểu cách các phòng thí nghiệm dùng giải trình tự 16S để khảo sát vi sinh vật trong đất ruộng hay trong ruột.