Vi khuẩn biển chia việc để ăn một món không con nào ăn nổi

Bạn thử lấy một miếng rong biển khô ngâm vào nước rồi sờ thử mà xem. Lớp nhớt trơn trượt bám ở đầu ngón tay bạn là thứ đang làm khoa học đau đầu nhiều năm nay. Trong lớp nhớt ấy có một phân tử mà không một con vi khuẩn nào ăn trọn được một mình. Một nhóm nghiên cứu vừa tìm ra lời giải, và lời giải không nằm ở con vi khuẩn nào giỏi hơn cả, mà nằm ở chỗ chúng chia việc cho nhau.

Nó là cái gì

Phân tử ấy tên là fucoidan. Bạn hình dung nó như một chuỗi hạt rất dài, và dọc theo chuỗi đó còn mọc ra đủ thứ nhánh rẽ nhỏ, chỗ này một nhánh, chỗ kia hai nhánh. Các "hạt" là những loại đường khác nhau. Chuỗi chính giàu một loại đường tên fucose, còn các nhánh bên treo những loại đường hiếm gặp hơn như xylose và galactose.

Fucoidan do tảo nâu (brown algae) và tảo silic (diatoms) làm ra, và nó góp phần tạo nên lớp vỏ ngoài bảo vệ của tảo. Cái khó là cấu trúc hoá học của nó có thể gồm hàng chục kiểu liên kết và hàng chục kiểu phân nhánh khác nhau, mà mỗi loài tảo lại làm ra một kiểu riêng. Nói cách khác, không có một bản thiết kế duy nhất để học thuộc.

Còn "phát minh" ở đây không phải một cái máy đặt trên bàn. Nó là một đội vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu lấy mẫu nước biển ven bờ, nuôi lên trong phòng thí nghiệm cho đến khi chỉ còn lại những con biết ăn fucoidan, rồi tách riêng ra được 8 chủng vi khuẩn. Tất cả nhỏ tới mức mắt thường không nhìn thấy.

Trước đây người ta làm thế nào

Từ lâu các nhà khoa học đã biết có những con vi khuẩn cắn được một mẩu fucoidan. Nhưng biết vậy thôi. Một câu hỏi nền tảng vẫn treo đó: liệu cả một cộng đồng vi sinh có phân giải được trọn phân tử này không, và nếu được thì bằng cách nào.

Trong công nghệ sinh học, hướng đi quen thuộc là cố tạo ra một "siêu khuẩn" (superbug), tức một con vi khuẩn được thiết kế để làm hết mọi khâu. Nghe thì gọn, nhưng với một phân tử mà đến giờ người ta còn chưa mô tả hết được cấu trúc, thiết kế một con làm tất là việc rất nặng.

Nó hơn ở điểm nào

Nhóm nghiên cứu do Andreas Sichert, từng làm nghiên cứu sau tiến sĩ ở MIT và nay ở ETH Zurich, cùng Otto X. Cordero, phó giáo sư ngành kỹ thuật dân dụng và môi trường ở MIT, đã công bố kết quả trên tạp chí Nature, dạng truy cập mở nên ai cũng đọc được.

Con số đầu tiên đã đủ choáng: hơn 453 gen khác nhau, mỗi gen tạo ra một enzyme, tức một loại men có thể cắt được fucoidan. Chừng ấy gen nằm rải trên 8 chủng vi khuẩn. Và không chủng nào tự mình phân giải trọn phân tử.

Chỗ hay là bước tiếp theo. Bằng một phương pháp khối phổ (mass spectrometry) mới và nhanh, nhóm nghiên cứu nhìn được vi khuẩn ăn từng viên đường một. Và hơn 453 gen rối rắm kia rút gọn lại chỉ còn hai vai. Vai thứ nhất chuyên gặm bộ khung giàu fucose. Vai thứ hai chuyên gỡ các nhánh bên.

Khi ghép hai vai vào với nhau, kết quả không phải là phép cộng. Mức phân giải vượt xa những gì tính được từ hoạt tính riêng của từng chủng. Sở thích đường của hai bên càng bù trừ nhau thì hiệu ứng càng mạnh, và có trường hợp cặp đôi tiến gần tới chỗ phân giải hoàn toàn.

"Không một con vi khuẩn nào làm xong được việc này", ông Cordero nói. "Thay vào đó, fucoidan bị phân giải nhờ làm việc nhóm."

Từ hai vai đó, nhóm dựng một mô hình đơn giản, chỉ xếp hoạt tính vi khuẩn vào hai nhóm: fucose, và các đường hiếm ở nhánh bên. Họ huấn luyện mô hình bằng dữ liệu của các cộng đồng nhỏ, chỉ 1 đến 3 chủng. Vậy mà nó dự đoán được mức phân giải ở cộng đồng tới 7 chủng, và còn đúng cả với 9 loại fucoidan khác nhau về cấu trúc, lấy từ những loài tảo khác.

Vì sao chuyện này dính tới khí hậu

Vì fucoidan khó ăn, nó không bị xử lý hết ở gần mặt biển mà chìm xuống sâu, mang carbon theo và có thể giữ carbon ở dưới đó rất lâu. Nguồn nghiên cứu gọi nó là một trong những nguồn carbon dồi dào nhất của biển.

Nhóm đề xuất một khái niệm họ gọi là "diversity-limited degradation", tạm hiểu là sự phân giải bị giới hạn bởi đa dạng: nếu ở một vùng biển không có đủ tổ hợp các chuyên gia bù trừ nhau, fucoidan sẽ tồn tại lâu hơn. Điều đó có thể giải thích vì sao một phần carbon từ tảo nằm lại trong biển hàng thời gian dài.

Còn vướng ở đâu

Đây là chỗ cần nói thẳng. Không có sản phẩm nào để bán ở đây, cũng không có bản mẫu thiết bị nào. Đây là kết quả trong phòng thí nghiệm, làm trên vi khuẩn nuôi từ mẫu nước biển ven bờ.

Việc các chủng bù trừ nhau thường xuất hiện cùng nhau trong mẫu lấy ngoài biển tự nhiên mới chỉ là một dấu hiệu gợi ý rằng cách chia việc này cũng diễn ra ngoài biển thật. Nó chưa phải bằng chứng đã đo được ngoài đại dương.

Ý tưởng dùng một đội vi khuẩn để xử lý sinh khối tảo nâu ở quy mô lớn, thay vì chế ra một siêu khuẩn, mới là một đề xuất của nhóm nghiên cứu, chưa ai làm thử ở quy mô lớn. Và bản thân fucoidan thì, như lời ông Cordero, vẫn là "một phân tử mà chúng ta còn chưa mô tả được đầy đủ".

Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp

Fucoidan có mặt trên Trái Đất và dồi dào từ rất lâu rồi. Vậy sao suốt ngần ấy thời gian, chưa loài vi khuẩn nào tiến hoá để ăn trọn nó một mình? Nhóm nghiên cứu nêu lời đáp ở hai tầng, tầng thứ nhất là những ràng buộc ngay trong cách cơ thể chuyển hoá đường.

Muốn thử một chút ở nhà: ngâm miếng rong biển khô vào nước, sờ lớp nhớt nổi lên, đó chính là chỗ fucoidan ở. Rồi lấy một việc nhà, ví dụ rửa bát, chia cho hai người mỗi người một phần chuyên, một người rửa một người tráng, bấm giờ rồi so với lúc một người làm hết. Xem thử phép cộng có ra đúng như bạn đoán không.

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.