Một bí ẩn lớn của sinh học tế bào, tại sao ty thể – những cấu trúc hình oval cung cấp năng lượng cho tế bào – lại có ADN của riêng chúng, và vì sao chúng luôn lưu giữ trong khi bản thân tế bào đã chứa rất nhiều vật liệu di truyền? Công trình nghiên cứu mới sau sẽ mang đến câu trả lời.
Người ta cho rằng ty thể đã từng là những bộ phận đơn-bào cho tới thời điểm khoảng hơn 1 tỷ năm trước, chúng bị nuốt chửng bởi các tế bào lớn. Thay vì bị đồng hóa, chúng đã sinh sống và phát triển một mối quan hệ cộng sinh với vật chủ, từ đó tạo điều kiện hình thành một cuộc sống phức tạp hơn, như các loài thực vật và động vật ngày nay.
Do đặc điểm tồn tại ngoài nhân, nên ty thể thường được ứng dụng để giám định hài cốt theo dòng mẹ.
Qua năm tháng, bộ gen ty thể dần suy giảm. Nhân tế bào giờ đây chứa gần như toàn bộ vật liệu di truyền của tế bào – bao gồm ngay cả các gen giúp ty thể hoạt động. Ví dụ ở người, bộ gen ty thể chỉ có 37 gen, trong khi nhân có hơn 20.000. Thời gian trôi đi, phần lớn các gen của ty thể đã nhảy vào nhân. Nhưng nếu các gen này cơ động như thế, tại sao ty thể lại giữ chúng, đặc biệt khi xét đến trường hợp đột biến xảy ra tại những gen này có thể gây các bệnh phình vỡ hiếm gặp, hủy hoại dần não, gan, tim và các cơ quan khác của bệnh nhân.
Các nhà khoa học đã có một số lý giải nhưng vẫn thiếu chứng cứ thuyết phục.
Do đó Iain G. Johnston, nhà di truyền học tại Đại học Birmingham, Vương quốc Anh, và Ben Williams tại Viện nghiên cứu Y sinh Whitehead, Cambridge, Massachusetts, đã mô hình hóa vấn đề, bước đầu so sánh các giả thuyết khác nhau. Họ đã phân tích hơn 2000 bộ gen ty thể của động vật, thực vật, nấm, và sinh vật đơn bào (giống amip), sau đó lần theo con đường tiến hóa rồi viết một thuật toán để tính toán những khả năng mà các gen khác nhau và các gen kết hợp sẽ bị mất tại một thời điểm nhất định.
Ty thể tạo ra năng lượng thông qua một chuỗi các phản ứng hóa học thúc đẩy các electron di chuyển dọc theo một lớp màng. Chìa khóa của quá trình này chính là một chuỗi các protein phức hợp, các cổng protein lớn được tích hợp trong màng của ty thể. Bằng cách này hay cách khác, tất cả gen của ty thể đều giúp tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng nếu một gen tạo ra một protein có vai trò quan trọng với một trong số các nhóm phức hợp này thì gen đó sẽ hiện diện lâu hơn. Trong khi những gen đảm nhiệm các chức năng sản xuất năng lượng ít quan trọng hơn sẽ được đưa vào trong nhân.
“Duy trì những gen này ngay trong ty thể tạo điều kiện cho tế bào quản lý riêng rẽ từng ty thể,” Johnston cho biết, bởi vì bản thân các protein then chốt được tạo ngay bên trong ty thể. Việc quản lý ngay bên trong giúp tế bào điều tiết nhanh chóng và hiệu quả quá trình sản xuất năng lượng từng-giây-từng-phút trong từng ty thể, thay vì phải thực hiện điều chỉnh hàng loạt tới hàng trăm hay hàng ngàn ty thể mà nó chứa. Ví dụ, nếu có một vài ty thể bị hỏng thì có thể sửa chửa từng cái một, thay vì phải thực hiện trên diện rộng làm mất cân bằng.
Giống như phản ứng khi có đám cháy, John Allen chia sẻ, ông hiện là nhà sinh học tại University College London và không tham gia vào nghiên cứu này. Nếu xảy ra cháy tại một phòng trong tòa nhà, bạn không cần thông báo cho ban quản lý, đơn giản chỉ cần lấy bình cứu hỏa rồi xịt.
“Tôi cho rằng đó là cơ chế phản hồi cơ bản,” Allen cho biết. Trong nghiên cứu của mình, ông tìm thấy chứng cứ cho thấy việc sản xuất một số protein cụ thể ngay tại nơi cần chúng sẽ giúp điều tiết tốt hơn quá trình sản xuất năng lượng. Các cấu trúc khác trong tế bào của chúng ta có thể cũng hưởng lợi từ quy trình quản lý nội bộ này. Nhưng với quá khứ là tế bào độc lập, ty thể là trưởng hợp duy nhất có riêng trung tâm điều khiển.
Mô hình của Johnston và Williams cũng chỉ ra những yếu tố quan trọng khác. Ví dụ, những gen có chức năng mã hóa các protein ty thể kỵ nước hay kháng nước, thường sẽ được tạo ra ngay bên trong ty thể. Nếu những protein này được tạo ra ở nơi khác trong tế bào, chúng có thể bị mắc kẹt trong quá trình di chuyển, do đó sản xuất chúng ngay trong ty thể sẽ hiệu quả hơn nhiều.
Các thành phần hóa học ngay bên trong gen cũng có thể tác động đến khả năng tồn tại của chúng. Những gen có thể tồn tại trong điều kiện hoạt động hóa học khắc nghiệt bên trong ty thể thay vì bị phá vỡ thì sẽ có nhiều khả năng tiếp tục hiện diện.
Johnston tin rằng phần mềm mà ông phát triển cùng với Williams sẽ cho kết quả khả quan hơn so với chỉ phân tích bộ gen của ty thể. Thuật toán này có thể phân tích những vấn đề phát sinh khi xuất hiện đặc điểm mới hay mất đi qua thời gian, dù cho đó là gen hay các triệu chứng của một căn bệnh. Ông hy vọng sắp tới mô hình này sẽ được ứng dụng để dự đoán các hoạt động như thế, ví dụ như xem xét tiến trình phát triển của căn bệnh.
Bibliography
Science. (2016, February 18). Why do our cell’s power plants have their own DNA?. Retrieved February 18, 2016 from http://www.sciencemag.org/news/2016/02/why-do-our-cell-s-power-plants-have-their-own-dna