Richard Lenski trữ đông vi khuẩn sau mỗi 500 thế hệ ở −80°C để có thể hồi sinh, cho tiến hóa chạy lại và so sánh các thế hệ với nhau

20/10/2026 · VietTechies · Biên tập

Năm 1988, nhà sinh học tiến hóa Richard Lenski bắt đầu một thí nghiệm với 12 quần thể vi khuẩn Escherichia coli (E. coli). Cứ sau 500 thế hệ, nhóm của ông lại lấy mẫu vi khuẩn còn sống đem trữ đông ở −80°C. Nhờ vậy, các thế hệ trước luôn được giữ lại, để sau này có thể rã đông và nuôi sống trở lại.

Theo quy trình, ngày nào cũng vậy, kể cả cuối tuần và ngày lễ, các nhà nghiên cứu phải chuyển 1% của mỗi bình nuôi sang một bình dung dịch mới, trong đó lượng đường glucose được giới hạn chặt chẽ. Với các mẫu đem trữ đông, họ thêm chất bảo vệ tế bào để vi khuẩn vẫn sống được sau khi rã đông.

Phần lớn ngành cổ sinh vật học dựa vào dấu vết in trong đá của những sinh vật đã chết từ lâu. Lenski thì tạo ra một thứ hoàn toàn khác: một kho hóa thạch còn sống. Nếu nhiều nghìn ngày sau xuất hiện một đặc điểm lạ, nhóm của ông không cần đoán xem vi khuẩn ở các thế hệ trước như thế nào. Họ chỉ việc mở tủ đông, rã đông những thế hệ đó và nuôi chúng lớn lên lần nữa.

Quy trình lặp lại mỗi ngày

Thí nghiệm Tiến hóa Dài hạn (Long-Term Evolution Experiment, gọi tắt là LTEE) được thiết kế hết sức đơn giản. Dung dịch nuôi có tên DM25 chỉ chứa rất ít glucose, 25 miligam mỗi lít (tức 139 micromol mỗi lít), nhưng lại có rất nhiều citrate, một dạng muối của axit citric, ở mức 1.700 micromol mỗi lít. Mỗi ngày, vi khuẩn sinh sôi cho đến khi dùng hết glucose: trong vài giờ, số lượng tăng khoảng 100 lần, rồi chúng ngừng phát triển vì hết thức ăn. Tăng 100 lần nghĩa là mỗi ngày vi khuẩn nhân đôi khoảng 6,64 lần, tức trải qua khoảng 6,64 thế hệ.

Trong điều kiện không đổi đó, lúc đầu cả 12 quần thể đều thay đổi theo hướng có thể đoán trước. Chúng nhanh chóng quen với bình nuôi, sinh trưởng nhanh hơn và tế bào to hơn. Chọn lọc tự nhiên liên tục loại bỏ những biến thể kém hiệu quả. Nhưng dù mỗi dòng đã trải qua hàng tỷ lần phân chia tế bào, vẫn còn một rào cản chưa vượt qua được: không quần thể nào dùng được nguồn citrate dồi dào xung quanh khi có oxy.

Từ lâu, việc không sống được bằng citrate khi có oxy là một dấu hiệu dùng để nhận biết E. coli thông thường, dù người ta đã biết vài trường hợp ngoại lệ. Bên trong tế bào, vi khuẩn vốn có sẵn bộ máy của chu trình axit citric để xử lý citrate, miễn là citrate vào được bên trong. Khi không có oxy, chúng cũng có thể lên men citrate nếu có thêm một chất phụ trợ cung cấp khả năng khử. Thứ chúng thiếu khi có oxy là một protein vận chuyển, có nhiệm vụ đưa citrate đi qua màng tế bào.

Bình Ara-3 bỗng đục

Sau hơn 30.000 thế hệ, vẫn chưa quần thể nào trong 12 quần thể dùng được citrate khi có oxy. Mỗi quần thể đã trải qua hàng tỷ đột biến trên bộ gen dài khoảng 4,6 triệu cặp base. Các nhà nghiên cứu ước tính sơ bộ rằng hầu như mọi đột biến đơn lẻ thông thường đều đã xuất hiện nhiều lần. Tốc độ thích nghi của các quần thể cũng đã chậm lại rõ rệt.

Khoảng thế hệ 33.127, các nhà nghiên cứu thấy bình nuôi quần thể Ara-3 đục hơn hẳn, nghĩa là vi khuẩn trong bình đã nhiều lên, và độ đục còn tăng tiếp trong vài ngày. Khi xem lại các mẫu trữ đông trước đó, họ tìm thấy vi khuẩn đã dùng được citrate, dù còn yếu, từ thế hệ 31.500; lúc ấy chúng chỉ chiếm khoảng 0,5% quần thể.

Khi tách riêng tế bào từ quần thể vừa tăng vọt này, nhóm xác nhận vi khuẩn có thể sống khi có oxy mà chỉ cần citrate làm nguồn carbon duy nhất, tức là đã vượt qua một ranh giới vốn dùng để nhận biết E. coli thông thường. Các kiểm tra di truyền tiêu chuẩn cho thấy đây không phải vi khuẩn lạ lọt vào bình. Chúng mang đúng các dấu hiệu nhận dạng và các đột biến riêng của quần thể Ara-3, khác với 11 dòng còn lại.

Cho “cuốn băng sự sống” chạy lại

Khả năng dùng citrate này được gọi tắt là Cit+. Nó cho phép kiểm chứng bằng thí nghiệm một cuộc tranh luận lâu đời trong khoa học. Bước đột phá này đến từ một đột biến cực hiếm, có thể xảy ra ở bất kỳ thế hệ nào nếu chờ đủ lâu? Hay nó cần một chuỗi đột biến đi trước để chuẩn bị, và chỉ xảy ra vì quần thể Ara-3 đã đi qua một con đường lịch sử riêng?

Stephen Jay Gould từng cho rằng nếu tua lại “cuốn băng sự sống” về quá khứ xa xưa rồi cho chạy lại, thế giới sinh vật thu được sẽ rất khác thế giới hiện nay, vì tiến hóa phụ thuộc vào chuỗi sự kiện đã xảy ra trước đó. Simon Conway Morris phản bác rằng chọn lọc tự nhiên luôn dẫn sinh vật về một số ít giải pháp có thể lặp lại. Với phần lớn nghiên cứu tiến hóa, cuộc tranh luận này chỉ dừng ở mức tưởng tượng, vì không ai quay lại được quá khứ.

Nhờ Lenski lưu mẫu sau mỗi 500 thế hệ, phòng thí nghiệm của ông có trong tay một cỗ máy thời gian sinh học thật sự. Nhà nghiên cứu Zachary Blount và các đồng nghiệp đã hồi sinh các dòng vô tính, tức các dòng sinh ra từ một tế bào duy nhất, lấy mẫu từ dòng gốc ban đầu cho đến thế hệ 32.500 của quần thể Ara-3. Họ làm một thí nghiệm cho tiến hóa diễn ra lại trong dung dịch nuôi giống hệt LTEE, và hai thí nghiệm khác trên đĩa thạch nghèo dinh dưỡng có chứa citrate.

Kết quả rất đáng chú ý. Khi thử với 8,4 nghìn tỷ tế bào của dòng gốc và 9 nghìn tỷ tế bào khác lấy từ 15.000 thế hệ đầu, không xuất hiện một tế bào Cit+ nào. Nhưng khi cho tiến hóa chạy lại từ các dòng vô tính được trữ đông từ thế hệ 20.000 trở về sau, khả năng dùng citrate lại xuất hiện nhiều lần ở các bình nuôi độc lập. Điều này cho thấy đến thế hệ 20.000, quần thể đã có một hoặc vài thay đổi “dọn đường”, khiến khả năng dùng citrate dễ xuất hiện hơn. Tuy vậy, kết quả không chứng minh rằng dòng gốc ban đầu hoàn toàn không thể có được khả năng này.

Bên trong bước đột phá

Việc giải mã bộ gen sau đó cho thấy đặc điểm mới hình thành như thế nào. Nó đến từ một đột biến lặp đoạn: một đoạn DNA dài 2.933 cặp base được nhân đôi, bản sao nằm ngay cạnh bản gốc. Việc lặp đoạn này đặt một bản sao của gen citT vào ngay sau vùng khởi động của gen rnk. Gen citT tạo ra protein vận chuyển citrate nhưng bình thường không hoạt động khi có oxy, còn vùng khởi động rnk thì giống một công tắc vẫn bật khi có oxy.

Nhờ công tắc rnk, vi khuẩn có thể tạo ra protein vận chuyển CitT ngay trong bình có oxy. Khi các nhà nghiên cứu dựng lại cụm gen rnk-citT và gắn đúng một bản vào nhiễm sắc thể của một dòng vô tính ở thế hệ 32.000, vốn đã có sẵn các thay đổi dọn đường, vi khuẩn chỉ dùng được citrate ở mức rất yếu, phải chờ hơn 60 giờ sau khi hết glucose. Trong một thí nghiệm khác, họ đưa cụm gen này vào plasmid, một phân tử DNA nhỏ nằm ngoài nhiễm sắc thể, với nhiều bản sao. Khi đó, dòng gốc ban đầu chỉ sống kém nhờ citrate, còn dòng đã có thay đổi dọn đường thì phát triển nhanh hơn nhiều, mạnh hơn và ổn định hơn. Sự khác biệt này là ví dụ của hiện tượng tương tác gen (epistasis): tác dụng của một thay đổi di truyền phụ thuộc vào những thay đổi đã có sẵn trước đó. Các nhà nghiên cứu cũng chưa loại trừ khả năng một số thay đổi khác, làm bộ gen dễ bị sắp xếp lại hơn, đã góp phần vào kết quả.

Hai nhóm vi khuẩn trong cùng một bình

Lúc đầu, vi khuẩn Cit+ sống chung với một nhóm nhỏ tế bào Cit−, tức không dùng được citrate. Nhóm Cit− này cũng đã tiến hóa cùng thời, chứ không phải thế hệ cũ còn sót lại. Hai nhóm sống chung hơn 10.000 thế hệ, cho đến khi nhóm Cit− biến mất vào khoảng giữa thế hệ 43.500 và 44.000.

Các thí nghiệm trộn những dòng vô tính ở thế hệ 33.000 cho thấy một kiểu chọn lọc gọi là chọn lọc phụ thuộc tần số âm, tức nhóm nào càng hiếm thì càng có lợi: dù ban đầu trộn theo tỷ lệ nào, tế bào Cit− cũng dần về mức khoảng 1% quần thể. Các dòng Cit− bắt đầu sinh trưởng sớm hơn và nhanh hơn trên glucose so với các dòng Cit+. Nhờ chuyên dùng glucose, chúng vẫn tồn tại được, trong khi tế bào Cit+ dùng thêm cả citrate. Về sau, nhóm Cit− còn tiến hóa để tận dụng tốt hơn các chất succinate, malate và fumarate do tế bào Cit+ thải ra.

Chuẩn bị trước bước nhảy

Trường hợp này cho thấy một bước đột phá trong sinh học có thể cần nhiều giai đoạn: các thay đổi dọn đường đã có từ thế hệ 20.000; khả năng mới thực sự xuất hiện khi gen citT được gắn với công tắc rnk, chậm nhất ở thế hệ 31.500; sau đó là những cải tiến tiếp theo giúp vi khuẩn dùng citrate tốt hơn.

Giữ lại những trạng thái có thể cần kiểm tra lại

Với các nhà nghiên cứu và kỹ sư làm việc với những hệ thống phức tạp, kho mẫu của Lenski gợi ra một nguyên tắc thực tế: hãy giữ lại các trạng thái từng hoạt động tốt ở dạng có thể khôi phục và kiểm tra lại. Nếu chỉ so sánh kết quả cuối cùng, ta không thể biết thay đổi nào trước đó đã mở đường cho một bước thích nghi về sau.

Lưu giữ các trạng thái cũ một cách có thể kiểm chứng cho phép làm thí nghiệm trực tiếp tại nhiều thời điểm khác nhau trong quá khứ. Trong tủ đông của Lenski, các thế hệ vi khuẩn trước luôn sẵn sàng để kiểm tra xem điều gì đã thực sự thay đổi.

Bài liên quan

Đọc bằng ngôn ngữ khác: English