Sử dụng chi tiết hình ảnh 3-D, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra cách thức mà vi khuẩn đã được tiến triển thế nào với các hoạt động phân tử có năng lượng khác nhau nhằm tối ưu hóa sự vận động của chúng.

Sự khám phá này, của một nhóm từ Imperial College London, cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa ở quy mô phân tử.

Vi khuẩn sử dụng các hoạt động phân tử chỉ cần hàng chục nanomet rộng để quay một đuôi (hoặc 'flagellum') nhằm đẩy chúng xuyên qua môi trường sống của chúng. Giống như hoạt động do con người tạo ra, cấu trúc của các máy nano quy mô này quyết định sức mạnh của chúng và khả năng di chuyển của vi khuẩn.

Trước đây, nhóm nghiên cứu từ Phòng Khoa học Đời sống tại Imperial đã xem xét các hoạt động này và phát hiện ra một yếu tố then chốt quyết định vi khuẩn có thể lướt/di chuyển mạnh như thế nào. Giống như hoạt động do con người tạo ra, các hoạt động của vi khuẩn có các thành phần 'phần tĩnh' và 'phần động' khác nhau quay quanh nhau.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng càng có nhiều các cấu trúc phần tĩnh các hoạt động vi khuẩn sở hữu, lực quay của nó lớn hơn, và vi khuẩn bơi/di chuyển càng mạnh. Mặc dù những khác biệt này, phân tích trình tự DNA cho thấy các hoạt động chính là có liên quan đến tổ tiên. Điều này dẫn các nhà khoa học đặt câu hỏi về sự đa dạng của cấu trúc và hoạt động đã phát triển từ cùng một thiết kế cốt lõi như thế nào.

Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Scientific Reports, các nhà nghiên cứu đã có thể xây dựng một “cây gia phả/gia đình” của các động cơ vi khuẩn bằng cách kết hợp hình ảnh 3D với phân tích ADN. Điều này cho phép họ hiểu được hoạt động của tổ tiên có thể xem như thế nào, và làm thế nào chúng có thể phát triển thành những hoạt động tinh vi ngày nay.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy sự khác biệt rõ ràng giữa các hoạt động của các loài vi khuẩn nguyên thủy và phức tạp. Trong khi nhiều loài nguyên thủy có khoảng 12 phần tĩnh, nhiều loài tinh vi hơn có khoảng 17 phần tĩnh. Điều này, cùng với việc phân tích DNA, cho thấy các hoạt động cổ đại cũng có thể chỉ có 12 phần tĩnh.

Theo các nhà nghiên cứu, sự tách biệt rõ ràng giữa các loài nguyên thủy và các loài phức tạp này thể hiện một bước nhảy vọt số lượng trong quá trình tiến hóa. Nghiên cứu của họ cho thấy việc tăng công suất hoạt động có thể là kết quả của việc kết hợp các cấu trúc hiện hữu. Điều này tạo thành một nền tảng kết cấu để kết hợp nhiều phần tĩnh, kết hợp với điều khiển vòng quay với lực cao hơn.

Tiến sĩ Morgan Beeby, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi thường quan sát sự tiến hóa ở quy mô của động vật hoặc thực vật, chẳng hạn như cổ của con hươu cao cổ dần dần kéo dài hơn theo thời gian để tiếp cận thực phẩm không thể tiếp cận trước đây”.

Tuy nhiên, sự tiến hóa ở quy mô phân tử triệt để hơn, giống như con hươu cao cổ có con của chúng có cổ dài hơn một mét.

Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã mô tả một số hoạt động từ các loài vi khuẩn khác nhau bằng cách sử dụng một phương pháp được gọi là kính hiển vi cử chỉ lạnh, những người tiên phong được trao giải Nobel Hoá học năm nay. Phương pháp này liên quan đến các hoạt động đèn flash đóng băng bên trong tế bào sống. Sau khi đông lạnh, chúng có thể được hình ảnh từ mọi góc độ để tạo ra một hình ảnh 3 chiều về hoạt động giống như bên trong tế bào.

Sau đó họ xây dựng một “cây gia phả/gia đình” của các loài bằng cách sử dụng phân tích trình tự DNA, có liên quan đến khả năng di chuyển/bơi và đặc tính hoạt động của chúng. Họ phát hiện ra rằng vi khuẩn với 17 phần tĩnh hoặc nhiều hơn, và những phần liên quan của chúng, có những cấu trúc thêm gắn với hoạt động của chúng.

Các nhà nghiên cứu tin rằng những cấu trúc thừa này được kết hợp trong các vi khuẩn phức tạp để tạo ra một giàn giáo lớn hơn để hỗ trợ các phần tĩnh.

Tuy nhiên, họ cũng nói rằng đây không phải là sự kiện một lần. Các cấu trúc thừa dường xuất hiện đã tiến hoá nhiều lần ở các loài vi khuẩn khác nhau, sử dụng các khối xây dựng khác nhau nhưng tạo ra cùng chức năng.

Các chức năng tương tự phát triển độc lập trong các sinh vật hoàn toàn khác nhau đã được phát hiện trước đây trong các vương quốc động vật và thực vật. Ví dụ, côn trùng, dơi và chim có tất cả các cánh có chức năng giống nhau nhưng có nguồn gốc hoàn toàn khác nhau, đôi mắt đã xuất hiện nhiều lần và có bằng chứng tốt cho thấy hệ thống thần kinh cũng đã tiến hoá nhiều lần, với một số sinh vật có hệ thống lạ bộ não và tủy sống mà chúng ta thường được sử dụng.

Tiến sĩ Beeby đã nói: "Động cơ/bộ máy vi khuẩn là những máy móc phức tạp, nhưng với các nghiên cứu như thế này, chúng ta có thể thấy chúng đã tiến triển như thế nào theo những bước riêng biệt, và “bước nhảy vọt” từ 12 đến 17 phần tĩnh, trong khi một sự đổi mới tuyệt vời, có một khía cạnh “không giống như cánh, mắt, hoặc hệ thống thần kinh ở động vật bậc cao hơn: các tiền thân của mô men cao đã phát triển nhiều lần, và một bộ của chúng kết thúc để kết hợp tạo thành khung nền tản mà chúng mô tả trong công việc của chúng”.

Ông đã nói thêm: “Tiến hóa là một quá trình sáng tạo, thường vẽ theo các biến thể theo một chủ đề. Nó liên tục phát triển ra các ý tưởng phân tử mới, nhiều trong số đó thất bại, tuy nhiên, chắc chắn một số đã nhận ra nhiều lần. Chúng tôi đã nhìn thấy điều này trong các động vật, và bây giờ chúng tôi thấy quá trình này trong thế giới nano của quá trình tiến hóa phân tử”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org