Tế bào phức tạp hình thành từ 'liên minh vi sinh vật', không chỉ từ cuộc hôn phối Archaea và Vi khuẩn

Các đối tác tiến hóa mới lộ diện

Nghiên cứu đã mở rộng đáng kể “danh sách khách mời” trong bữa tiệc tiến hóa dẫn đến LECA. Ngoài vật chủ Archaea và tổ tiên ty thể, hai ngành vi khuẩn mới được xác định có đóng góp di truyền quan trọng :

• Myxococcota: Đây là ngành vi khuẩn được biết đến với khả năng săn mồi và hình thành thể quả phức tạp. Phân tích cho thấy chúng có liên quan đến các chức năng trao đổi chất, đặc biệt là các quá trình liên quan đến lipid và màng tế bào – những thành phần thiết yếu cho cấu trúc phức tạp của tế bào nhân thực .
• Planctomycetota: Nhóm vi khuẩn này vốn nổi tiếng trong giới vi sinh vật học vì cấu trúc nội bào khác thường, với các khoang được chia ngăn giống như ở sinh vật nhân thực. Chính đặc điểm này khiến vai trò của chúng trong nghiên cứu trở nên đặc biệt thú vị .

Tiến sĩ Gabaldón nhận định: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy câu chuyện trước đây là chưa đầy đủ. Đã có nhiều diễn viên hơn trên sân khấu, bao gồm các nhóm vi khuẩn khác và virus khổng lồ có thể đã tạo điều kiện cho việc trao đổi gen” .

Quá trình diễn ra theo từng bước, không phải một sớm một chiều

Một phát hiện then chốt khác là những đóng góp này không xảy ra cùng một lúc. Bằng cách phân tích “đồng hồ phân tử”, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một trình tự thời gian rõ ràng :

1. Tín hiệu cổ xưa nhất đến từ Planctomycetota, cho thấy sự tương tác với nhóm vi khuẩn có cấu trúc nội bào phức tạp này đã diễn ra từ rất sớm.
2. Các tín hiệu từ Myxococcota và tổ tiên ty thể (Alphaproteobacteria) lại gần nhau hơn về mặt thời gian, ngụ ý một làn sóng đóng góp và hợp tác trao đổi chất thứ hai, gần với thời điểm hình thành LECA hơn.

Sự phân kỳ theo từng bước này ủng hộ mạnh mẽ mô hình về một quá trình thu nhận năng lực di truyền và trao đổi chất một cách từ từ, thay vì một cú nhảy vọt tiến hóa đột ngột .

Virus khổng lồ: “Người đưa thư” di truyền thời viễn cổ

Nghiên cứu còn phát hiện một số gen được tích hợp vào bộ gen của sinh vật nhân thực sơ khai dường như có nguồn gốc từ virus khổng lồ thuộc ngành Nucleocytoviricota (virus DNA lớn nhân tế bào chất) . Những virus này, với bộ gen đồ sộ và cấu trúc phức tạp chẳng kém gì vi khuẩn, được cho là đã hoạt động như những “phương tiện trung gian”, vận chuyển vật liệu di truyền qua lại giữa các dòng vi sinh vật khác nhau trong thảm vi sinh vật cổ đại .

Phát hiện này củng cố thêm các bằng chứng trước đây về mối quan hệ đồng tiến hóa sâu sắc giữa virus khổng lồ và tổ tiên sinh vật nhân thực, thậm chí có ý kiến cho rằng chúng đã góp phần định hình chính nhân tế bào .

Từ cuộc “hôn phối” đơn lẻ đến “đại công trường” cộng đồng

Tất cả các phát hiện này cùng nhau phác họa một viễn cảnh mới về nguồn gốc tế bào phức tạp. Thay vì một sự kiện nội cộng sinh đơn lẻ trong một tế bào chủ, quá trình eukaryogenesis (hình thành tế bào nhân thực) nên được hiểu là một công cuộc hợp tác kéo dài, diễn ra trong các môi trường giàu dinh dưỡng như thảm vi sinh vật . Tại đây, các vi sinh vật khác nhau đã cùng tồn tại, cạnh tranh và trao đổi vật chất di truyền qua hàng triệu năm, từng bước xây dựng nên sự phức tạp vượt trội của tế bào nhân thực.

Tiến sĩ Gabaldón kết luận, công trình này không chỉ viết lại chương mở đầu cho lịch sử sự sống phức tạp mà còn cho thấy sức mạnh của các phương pháp “khảo cổ học phân tử” hiện đại trong việc giải mã những bí ẩn sâu thẳm nhất của quá khứ .