Nếu vi khuẩn và virus đại chiến thì bên nào sẽ thắng?

[sunshine1104]

Đây hẳn sẽ là một cuộc đại chiến giữa hai cánh quân.

Toàn bộ virus SARS-CoV-2 trên thế giới gộp lại chỉ nặng bằng một quả táo
Tóm tắt tất cả bằng chứng hiện có về nguồn gốc COVID-19: Virus đã rò rỉ từ phòng thí nghiệm hay tiến hóa từ tự nhiên?
Giữa đại dịch của một virus, một virus đại dịch khác lại đang cứu sống những "đứa trẻ bong bóng"
Chắc hẳn bạn còn nhớ thí nghiệm cũ này: Thả một con rắn và một con nhện độc vào trong hộp kín, con nào sẽ chiến thắng? Đáp án là nhện.

Bây giờ, một nhóm các nhà khoa học đang đưa cuộc chiến xuống dưới thế giới của các loài vi sinh vật. Họ tự hỏi nếu nhỏ một giọt vi khuẩn cạnh một giọt virus, loài nào sẽ đánh bại loài nào?

Trận đấu lúc này không còn là màn solo 1-1 nữa. Trên thực tế, mỗi giọt nước này đều có thể chứa từ hàng trăm ngàn đến hàng chục triệu con vi khuẩn và virus. Đó hẳn là một cuộc đại chiến giữa hai cánh quân.

Nếu bạn tò mò về kết quả của nó, hãy thử đặt cược: Virus hay vi khuẩn sẽ chiến thắng?

Cả hai vi sinh vật này nổi tiếng bởi khả năng gây bệnh cho con người. Nhưng trong tự nhiên cũng có những virus lây nhiễm vi khuẩn và giết chết chúng. Các loại virus này được gọi là thể thực khuẩn, và từng được con người dùng để chữa nhiễm trùng trước thời đại kháng sinh.

Thể thực khuẩn có thể xâm nhập vi khuẩn, chiếm lấy quyền điều khiển bộ máy tế bào của nó và tự sao chép lên hàng triệu bản thể cho đến khi dân số của chúng làm tế bào vi khuẩn nổ tung.

Ngược lại, vi khuẩn cũng có các cơ chế tự vệ để giết chết virus. Nó được gọi là CRISPR/Cas9, trong đó vi khuẩn sử dụng protein Cas9 để cắt tan vật chất di truyền của virus và tiêu diệt chúng. Con người đã học tập vi khuẩn điều này và sử dụng CRISPR/Cas9 như một công cụ cắt dán DNA, giúp chúng ta chỉnh sửa gen của thực vật, động vật, thậm chí cả con người theo ý muốn.

Nếu virus và vi khuẩn đánh nhau, con nào sẽ thắng con nào?

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Physical Review X, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Cambridge đã làm một thực nghiệm. Họ nhỏ một giọt chứa vi khuẩn E. coli cạnh một giọt chứa virus được gọi là thể thực khuẩn T7.

Trong khi E. coli nổi tiếng là một vi khuẩn gram âm lành tính, một số chủng cá biệt của nó có thể lây nhiễm con người và gây ra các bệnh nghiêm trọng, từ viêm ruột, dạ dày, nhiễm trùng tiết niệu đến viêm màng não ở trẻ sơ sinh và bệnh Cohn.

Còn thể thực khuẩn T7 là một virus chuyên săn vi khuẩn. Nó có thể lây nhiễm đa số các chủng E. coli và giết chết vi khuẩn này chỉ trong 17 phút.

Vậy nên, có thể bạn đã đoán được kết thúc của cuộc chiến này. Trong video được các nhà khoa học ở Cambridge quay lại dưới đây, đội quân E. coli nằm ở bên trái màn hình đã bị đội quân thể thực khuẩn T7 phía bên phải đánh cho "bay màu". Bạn có thể thấy những con thể thực khuẩn dần xâm chiếm lãnh địa nơi mà giọt E. coli từng chiếm giữ.


Vi khuẩn E. coli (bên trái) bị virus T7 (bên phải) đánh bại

Nếu phóng to hơn nữa vào quá trình này, chúng ta thấy những con thể thực khuẩn T7 chui vào bên trong từng tế bào E. coli, nhân lên hàng triệu lần rồi khiến con vi khuẩn nổ tung. Trên phạm vi quần thể, các nhà khoa học cho biết quá trình diễn ra theo 2 giai đoạn.

Trong giai đoạn 1, một số hạt virus T7 tiên phong đánh vào rìa của giọt vi khuẩn, các nhà khoa học gọi đó là trạng thái "kéo". Sau đó là giai đoạn 2, khi ngày càng có nhiều virus đánh sâu vào trong lãnh địa vi khuẩn chiếm giữ, trong trạng thái các nhà khoa học gọi là "đẩy".

"Sự bành trướng theo mô hình đẩy thường được quan sát thấy ở các quần thể có hành vi hợp tác, chẳng hạn như một bầy động vật cùng nhau đi săn", tác giả đứng đầu nghiên cứu, Michael Hunter đến từ Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge cho biết.

"Nhưng điều mà chúng tôi phát hiện khi thiết kế mô hình virus lây nhiễm vi khuẩn, với thể thực khuẩn T7 và vật chủ của nó E. coli, là các làn sóng đẩy của virus xảy ra trong quá trình bành trướng ngay cả khi virus không hợp tác với nhau".

Nghiên cứu cho phép các nhà khoa học xây dựng mô hình lây nhiễm của virus

Phân tích kỹ hơn, các nhà khoa học Cambridge còn phát hiện các làn sóng đẩy của virus giữ được sự đa dạng di truyền lâu hơn nhiều so với các làn sóng kéo. Đây là lần đầu tiên mô hình này được phát hiện, xác nhận virus có khả năng thích nghi di truyền nhanh chóng khi chúng tấn công vật chủ của mình.

"Các quan sát của chúng tôi cho thấy sự chuyển đổi từ mô hình kéo sang mô hình đẩy tự phát sinh từ phản hồi giữa động lực học của virus với vật chủ. Theo đó, sự phân tán của virus phụ thuộc vào mật độ vật chủ, và virus sẽ liên tục tiến hóa khi quá trình bành trướng của chúng diễn ra ngày càng mạnh".

Chỉ có duy nhất một trường hợp virus bị kiềm chế bởi vi khuẩn. Đó là khi một số lượng quá ít của chúng bị mắc kẹt bên trong một quần thể tế bào chủ đông đúc. Virus lúc này không thể khuyếch tán theo mô hình đẩy. Trong chính giai đoạn này, chúng ta thường gọi đây là lúc mà virus ủ bệnh.

Thể thực khuẩn vs vi khuẩn

Với nghiên cứu mới của mình, các nhà khoa học Cambridge hi vọng họ đã giúp làm sáng tỏ phần nào mô hình lây nhiễm và tiến hóa của virus. Kết quả có thể hỗ trợ các nhà khoa học khác xây dựng kịch bản tấn công và lây nhiễm của nhiều loại virus khác nhau, không chỉ với thể thực khuẩn T7.

"Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra hệ thống thể thực khuẩn một nền tảng có tính kiểm soát cao. Nó có thể được ứng dụng vào các nghiên cứu thực nghiệm tìm hiểu động lực của quá trình mở rộng quần thể với sự phân tán phụ thuộc vào mật độ", đồng tác giả nghiên cứu, tiến sĩ Diana Fusco đến từ Phòng thí nghiệm Cavendish, cho biết.

"Ngoài thể thực khuẩn, phát hiện của chúng tôi cũng cho thấy trong quá trình lây lan, virus có thể duy trì tính đa dạng di truyền lâu hơn nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ trước đây. Nó cũng thể hiện sự tiến hóa của virus trong các mô và sinh vật bị nhiễm bệnh".