Cơ hội cứu nhân loại từ miền đất chết Sa mạc Atacama, Chile

Tom GarmesonBBC Future

• 22 tháng 9 2019

Sa mạc Atacama khô khốc của Chile từng bị coi là vùng đất chết, nhưng nơi đây lại chứa đựng vô cùng phong phú những sinh vật có thể giúp ta chống lại mối nguy lớn nhất đe doạ sức khoẻ nhân loại.

Khi nhìn qua quang cảnh hoang vắng trên Thung lũng Valle de la Luna, ý tưởng trên nghe có vẻ vô lý.

Nơi được coi là hoang mạc khô nhất trên Trái Đất, cũng là nơi có độ bức xạ tia cực tím mạnh nhất hành tinh, liệu có thể giúp con người chữa được bệnh gì?

Theo giải thích của nhà vi sinh vật Michael Goodfellow từ Đại học Newcastle, thì sự không thân thiện của Sa mạc Atacama chính là thứ khiến nơi này hữu ích cho con người.

\”Điều kiện trên Sa mạc Atacama quá khắc nghiệt, và các sinh vật trở nên thích nghi với tình trạng này,\” ông nói.

Goodfellow hy vọng rằng nếu các vi khuẩn có thể sống sót trong môi trường nghiệt ngã đến vậy, chúng có thể sẽ sản sinh ra các cấu trúc hóa học mới, quan trọng, có thể đưa vào ứng dụng trong y học.

Vào năm 2008, ông được trao cho một mẫu đất lấy từ vùng lõi siêu khô trên sa mạc này. Đây chính là phần đất mà người ta cho rằng chưa từng trải qua bất cứ trận mưa nào trong hàng triệu năm và được coi là vượt qua mức khô cực hạn cho sự sống.

\”Thành thật mà nói, chúng tôi không trông đợi là mình sẽ tách ra được bất cứ thứ gì từ đó,\” Goodfellow nói.

Nhưng, thật kinh ngạc, ông có thể gieo hàng loạt các loại vi khuẩn đa dạng trên mẫu đất này, mở màn cho một thập kỷ nghiên cứu hệ vi sinh vật trên sa mạc.

Loại vi khuẩn sống trên sa mạc Atacama rất đặc biệt: đó là một bào tử sản sinh ra xạ khuẩn (actinobacteria). Trong nhóm vi sinh, xạ khuẩn nổi tiếng vì khả năng tiết ra hợp chất hóa học hữu cơ là các chất chuyển hóa thứ cấp, giúp chúng đẩy lùi những vi khuẩn đối thủ.

Hãy lấy ví dụ với streptomyces griseus, một loại xạ khuẩn mà bạn có thể tìm thấy trong nắm đất vườn. Một mẫu xạ khuẩn streptomyces, khi đặt vào quần thể vi trùng lao mycobacterium tuberculosis, sẽ sinh ra hóa chất ngăn chặn những loại vi khuẩn hàng xóm đó, không cho chúng phát triển các loại protein mà chúng cần để sinh tồn. Khi các nhà khoa học từ Đại học Rutgers có thể tách được loại hóa chất này ra vào năm 1944, họ có cơ hội tạo ra loại thuốc kháng sinh đầu tiên chữa được bệnh lao, cứu được vô số mạng người trong quá trình này.

Những chủng loại xạ khuẩn mới trên sa mạc do Goodfellow và nhiều người khác nghiên cứu cho thấy cũng có thể tự tạo ra hóa chất. Một bản tổng kết năm 2018 cho thấy trong số 46 loại phân tử đã được chiết tách ra từ các loài trên sa mạc Atacama, rất nhiều loại có tính chống ung thư, kháng virus và kháng sinh.

Tuy Goodfellow nhấn mạnh rằng vẫn chưa có manh mối vững chắc nào có thể tạo ra dược phẩm, nhưng kết quả cho thấy sa mạc là nơi đầy tiềm năng để tìm kiếm các loại kháng sinh.

Sự sống bên rìa vực

Sa mạc Atacama là ví dụ điển hình mà các nhà khoa học gọi là \”sinh quyển cực đoan\” – tên gọi dành cho những vùng đất mà các yếu tố như độ khô cằn cao, bức xạ UV, độ pH hay áp suất đã đẩy sự sống đến giới hạn tột cùng.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm khắp địa cầu để tìm ra những khu vực sinh cảnh khắc nghiệt hơn nữa, nơi họ tìm ra những quần thể vi sinh vật gan lỳ sống sót trước bất kỳ hoàn cảnh nào.

Vào năm 1998, một chiếc tàu ngầm Nhật Bản đã đem về những vi khuẩn sống trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt từ lớp trầm tích dưới Khe vực Mariana ở độ sâu 11.000m dưới đáy biển. Những vi khuẩn này có thể sinh sôi nảy nở ở nơi có áp suất cao gấp 700 lần so với áp suất trên mặt nước.

Vào năm 2009, nhà địa chất vi sinh Jill Mikucki công bố phát hiện quần thể vi sinh vật sống ở độ sâu 400m bên dưới bề mặt băng hà ở Nam Cực; chúng đã sống sót hàng triệu năm bằng cách nạp năng lượng từ quặng sắt.

Dù là chọn nơi sinh sống ở ngọn núi lửa vừa phun tại Iceland hay nằm ngủ đông hàng thiên niên kỷ dưới bề mặt băng vĩnh cửu ở Siberia, vi khuẩn thực sự thống trị thế giới.

Phần này của những nghiên cứu khám phá đã định hình lại sự hiểu biết của con người về giới hạn của sự sống, dạy ta về những phương thức khéo léo mà vi khuẩn tiến hóa để thích nghi với môi trường xung quanh.

Nhưng có lẽ bóng ma lờ mờ của tình trạng kháng kháng sinh chính là nguyên nhân thôi thúc nhất khiến con người tìm cách khám phá những hệ sinh thái cực đoan.

Siêu vi khuẩn – là những loại mầm bệnh đã học cách vô hiệu hóa những đợt tấn công bằng thuốc kháng sinh của con người – được cho là nguyên nhân gây ra hàng trăm ngàn ca tử vong khắp thế giới mỗi năm.

Tổ chức Y tế Thế giới WHO mô tả đây là \”một trong những mối đe dọa lớn nhất với sức khỏe toàn cầu, an ninh lương thực và sự phát triển ngày nay\”.

Tình huống càng tồi tệ hơn khi các loại dược phẩm đáng tin cậy của con người bắt đầu vô tác dụng, vậy mà tới cuối Thế kỷ 20, tình hình phát triển các loại kháng sinh mới chỉ diễn ra nhỏ giọt.

\”Tìm kiếm chế phẩm sinh học\”

Tuy các cơ quan y tế cộng đồng khắp thế giới kêu gọi bác sĩ, bệnh nhân và nông dân hãy sử dụng kháng sinh có trách nhiệm, nhưng có một sự đồng thuận chung, đó là chúng ta cần tiếp tục phát triển các loại dược phẩm mới.

Đôi khi, một hóa chất tiềm năng hữu ích được tìm thấy ngay trước mũi chúng ta – vào năm 2016, các nhà khoa học Đức khám phá ra loại kháng sinh trước đó chưa từng biết tồn tại trong lỗ mũi người, có thể tiêu diệt tụ cầu vàng kháng thuốc (Staphylococcus aureus), hay còn gọi là MRSA.

Trong các trường hợp khác, những phân tử tổng hợp hoàn toàn có thể làm kháng sinh.

Nhưng nhiều nhà khoa học tranh luận rằng ta nên khám phá thế giới tự nhiên của các loại hóa sinh mới, đó là cách tiếp cận có tên là \”bioprospecting\” (tìm kiếm các sản phẩm sinh học mới).

Marcel Jaspars, nhà hóa học chuyên nghiên cứu các sản phẩm tự nhiên từ Đại học Aberdeen, là một trong những người ủng hộ hướng đi này.

\”Từ 70% đến 75% các loại kháng sinh đều đến từ tự nhiên,\” ông nói. \”Tôi giật mình phát hiện rằng chúng ta có thể nghiên cứu sâu hơn vào cách mà tự nhiên đã tạo ra những phân tử này và bằng cách nào ta có thể thực sự tìm được những hợp chất kháng sinh.\”

Những môi trường cực đoan không tồn tại sự sống như Sa mạc Atacama có lẽ là một trong những địa điểm hứa hẹn nhất để tìm ra vũ khí mới chống lại tình trạng nhờn thuốc kháng sinh.

Những tiến bộ trong giải mã gene cho thấy những thung lũng khô hạn ở Nam Cực, nơi có đất lạnh, khô độc đáo nhất trên thế giới, cũng có các loại xạ khuẩn tồn tại đa dạng hơn so với người ta từng tưởng.

Cuộc chinh phục khám phá những nơi sâu nhất đại dương đã dẫn đến việc khám phá ra một lớp hóa chất hoàn toàn mới có tên gọi \”abyssomicins\” để tôn vinh độ sâu mà những nhân tố tạo vi khuẩn trên được tìm thấy.

Từ những đụn cát Merzouga ở miền nam Morocco đến Sa mạc Badain Jaran và Sa mạc Tengger ở Trung Quốc, các nhà sinh học vi sinh khắp thế giới đang xây dựng một thư viện phát triển chưa từng có về những hợp chất có hoạt tính sinh học.

Có một điều đáng lưu ý là rất nhiều phân tử được chiết tách từ những vi khuẩn trong môi trường cực đoan này có lẽ sẽ không bao giờ trở thành dược phẩm.

Với mỗi loại kháng sinh làm thay đổi toàn bộ thế giới như penicillin, các nhà khoa học đã phải trải qua vô số các hợp chất hóa học cực độc hoặc không có đủ tác dụng để làm thuốc.

Nhưng theo nhà vi sinh vật Cristina Dorador người Chile, một chuyên gia về hệ vi sinh vật ở sa mạc Atacama, thì có rất nhiều lý do khác khiến ta nên trân trọng giá trị những sinh vật nghiên cứu vô hình của bà.

Khả năng của vi khuẩn sa mạc trong việc chống chịu tình trạng khô hạn cao và độ mặn có thể giúp cây cối sinh trưởng trong điều kiện nghèo nàn, bà nói.

Và khả năng chống chịu bức xạ UV có thể hữu ích trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, vì người ta có thể tìm ra cách bảo vệ làn da của con người chống lại tác hại của ánh sáng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu cũng mô tả tiềm năng của vi khuẩn là chất xúc tác sinh học – Dorador cho rằng khả năng của chúng trong việc chuyển hóa các chất vô cơ có thể đưa vào ứng dụng trong ngành công nghiệp khai thác đồng trên sa mạc Atacama, vốn là trụ cột của nền kinh tế Chile.

Bà cho biết sự thích nghi của vi khuẩn với môi trường sa mạc có thể giúp chúng cực kỳ phù hợp trong việc hỗ trợ cho quá trình chiết xuất.

Và các nhà khoa học có thể chỉ mới chạm tới bề ngoài của tiềm năng từ sa mạc Atacama.

Người ta cho rằng chỉ có khoảng 1% trong số những vi sinh vật trong thế giới tự nhiên mới được chiết xuất và khai thác (gieo cấy, phát triển trong phòng thí nghiệm), nhưng kỹ thuật giải mã gene mới đang giúp các nhà nghiên cứu như Dorador nhận biết rằng bên ngoài kia còn có những gì.

\”Chúng tôi biết rằng chúng tồn tại ở đó, rằng chúng ta có sự đa dạng vi sinh cực kỳ vĩ đại, nhưng ta không thực sự biết tác dụng của chúng là gì, cũng như không biết tiềm năng của chúng,\” bà giải thích. \”Thực sự có cả thiên hà vi sinh vật để ta khám phá trên Sa mạc Atacama.\”