Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) là một hệ sinh thái khép kín, nơi các dạng sống — bao gồm vi khuẩn và virus — không nhất thiết hành xử giống như trên Trái Đất. Một nghiên cứu mới cho thấy môi trường vi trọng lực trên ISS không chỉ làm thay đổi cách virus lây nhiễm vi khuẩn, mà còn có thể thúc đẩy những hướng tiến hóa hoàn toàn khác, với các hệ quả tiềm tàng cho y học dưới mặt đất.
Trong nghiên cứu do Đại học Wisconsin–Madison thực hiện và công bố ngày 13/1 trên tạp chí PLOS Biology, các nhà khoa học đã so sánh hành vi của thực khuẩn thể — những virus chuyên lây nhiễm vi khuẩn, còn gọi là phage — trong điều kiện giống hệt nhau, một nhóm trên ISS và một nhóm trên Trái Đất. Kết quả cho thấy vi trọng lực có thể làm chậm quá trình nhiễm bệnh ban đầu, nhưng đồng thời tái định hình sâu sắc quá trình tiến hóa của cả virus lẫn vi khuẩn.
“Đây không chỉ là câu chuyện mang tính tò mò của sinh học không gian,” tiến sĩ Phil Huss, giáo sư Đại học Wisconsin–Madison và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. “Việc nghiên cứu phage trong không gian giúp chúng tôi hiểu rõ hơn cách các hệ vi sinh vận hành trong tàu vũ trụ, đồng thời mở ra những hướng tiếp cận mới cho điều trị vi khuẩn kháng thuốc trên Trái Đất.”
Thực khuẩn thể là những thực thể sinh học phong phú nhất hành tinh, với khoảng 10³¹ cá thể tồn tại khắp môi trường tự nhiên, từ đại dương, đất liền cho đến cơ thể con người. Chúng tấn công vi khuẩn bằng cách bám vào bề mặt tế bào, tiêm vật chất di truyền và chiếm quyền điều khiển bộ máy của vật chủ để tự nhân lên, cuối cùng phá hủy tế bào vi khuẩn. Quá trình này tạo ra một “cuộc chạy đua vũ trang” tiến hóa, khi vi khuẩn liên tục tìm cách né tránh hoặc kháng lại các đợt tấn công của virus.
Để quan sát quá trình này trong không gian, nhóm nghiên cứu sử dụng phage T7 và vi khuẩn Escherichia coli. Hai bộ mẫu giống hệt nhau được ủ trong các khoảng thời gian khác nhau, từ vài giờ đến 23 ngày. Một bộ được đưa lên ISS bằng tàu Cygnus của Northrop Grumman, bộ còn lại được giữ trên Trái Đất.
Kết quả cho thấy, trong vi trọng lực, quá trình lây nhiễm diễn ra chậm hơn rõ rệt ở giai đoạn đầu. Trên Trái Đất, phage có thể tiêu diệt E. coli chỉ trong chưa đầy một giờ, nhưng trên ISS, dấu hiệu bùng phát nhiễm chỉ xuất hiện sau thời gian dài hơn. Các nhà khoa học cho rằng nguyên nhân nằm ở việc chất lỏng ít được trộn đều trong môi trường không trọng lực, khiến virus và vi khuẩn ít “chạm mặt” nhau hơn, đồng thời vi khuẩn có thể chịu stress sinh học làm thay đổi cơ chế tiếp nhận virus.
Tuy nhiên, điều đáng chú ý nhất lại xuất hiện sau 23 ngày. Phân tích di truyền cho thấy phage trong vi trọng lực tích lũy nhiều đột biến đặc thù, đặc biệt ở các gene liên quan đến cấu trúc và tương tác với vật chủ. Những thay đổi này không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ lây nhiễm, mà còn làm lộ ra những con đường tiến hóa mà các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hết.
“Vi trọng lực dường như đã đẩy tiến hóa của virus vào những ‘góc khuất’ mà chúng ta hiếm khi quan sát được trên Trái Đất,” Huss nhận xét.
Không chỉ virus thay đổi, vi khuẩn E. coli tiếp xúc với phage cũng tích lũy nhiều đột biến hơn, đặc biệt ở các gene liên quan đến màng ngoài tế bào. Điều này cho thấy vi trọng lực không đơn thuần làm chậm quá trình sinh học, mà còn tái định hình sâu sắc mối quan hệ đồng tiến hóa giữa virus và vật chủ.
Đáng chú ý, khi các nhà khoa học sử dụng những đột biến xuất hiện trong vi trọng lực để tạo ra các phage biến đổi, họ phát hiện các virus này có thể tiêu diệt những chủng E. coli gây nhiễm trùng đường tiết niệu vốn kháng lại phage thông thường. Điều này gợi ý rằng môi trường vi trọng lực có thể giúp “khai phá” những đặc tính di truyền hữu ích cho việc phát triển liệu pháp phage trên Trái Đất.
Dù vậy, việc tiến hành các thí nghiệm sinh học trên ISS không hề đơn giản. Theo tiến sĩ Srivatsan Raman, đồng tác giả nghiên cứu, mỗi thí nghiệm đều đòi hỏi nhiều năm chuẩn bị và đối mặt với hàng loạt thách thức hậu cần, khiến việc mở rộng nghiên cứu trở nên khó khăn.
Ở góc độ dài hạn, kết quả này cũng đặt ra câu hỏi về sự an toàn sinh học trong các sứ mệnh không gian kéo dài. Vi sinh vật có thể thích nghi nhanh chóng và theo những cách khó lường trong vi trọng lực, làm dấy lên lo ngại về khả năng gia tăng độc lực hoặc kháng thuốc. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng cần thêm nhiều thí nghiệm trước khi có thể đánh giá đầy đủ các rủi ro này.
Với y học trên Trái Đất, nghiên cứu lại mang đến tín hiệu tích cực. Vi trọng lực, thay vì chỉ là thách thức cho con người trong không gian, có thể trở thành một “phòng thí nghiệm tự nhiên” giúp các nhà khoa học phát triển những công cụ mới để đối phó với vi khuẩn kháng thuốc — một trong những mối đe dọa y tế lớn nhất hiện nay.
ISS là một trung tâm nghiên cứu quan trọng, bao gồm cả các nghiên cứu liên quan đến vi khuẩn. Ảnh: NASA
Mô hình cấu trúc của thực khuẩn thể T7 ở cấp độ nguyên tử. Ảnh: Dr. Victor Padilla-Sanchez
