Nhật Bản nuôi cấy được họ hàng gần nhất của sự sống phức tạp, và chúng không có nhân

Họ hàng còn sống gần gũi nhất của mọi loài động vật, thực vật và nấm trên Trái Đất hiện đang được nuôi cấy trong một phòng thí nghiệm ở Nhật Bản, và chúng trông hoàn toàn không giống tổ tiên mà nhiều nhà sinh học từng hình dung. Một nhóm tại JAMSTEC, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Biển-Trái Đất Nhật Bản, đã nuôi cấy thành công lần đầu tiên các dòng thuần Heimdallarchaeia, một nhóm cổ khuẩn đơn bào được cho là nơi các tế bào phức tạp đã xuất hiện. Bên trong, các tế bào này hết sức đơn giản: không có nhân, không có các khoang nội bào, không có gì giống những bào quan vốn định nghĩa tế bào của chúng ta.

Điều bất ngờ nằm ở bên ngoài. Mỗi tế bào mọc ra những nhánh dài, phân nhánh, bám lấy các vi sinh vật cộng sinh mà nó không thể sống thiếu; chúng cũng suy yếu khi tiếp xúc với oxy, dù mang các gene xử lý oxy. Gộp lại, những đặc điểm này phác họa tổ tiên đơn bào sâu xa nhất của chúng ta như một vi sinh vật phát triển chậm, kỵ oxy và sống dựa vào quan hệ cộng sinh, chứ không phải một phiên bản thu nhỏ của tế bào phức tạp mà cuối cùng nó sẽ trở thành.

Phát hiện này chạm tới một trong những câu hỏi lâu đời nhất của sinh học: làm thế nào một tế bào đơn giản không có nhân lại biến thành tế bào nhân thực phức tạp cấu thành nên mọi cơ thể người. Lời giải thích hàng đầu cho rằng một tế bào cổ khuẩn đã hình thành mối quan hệ cộng sinh chặt chẽ với một vi khuẩn, rồi vi khuẩn ấy cuối cùng bị nuốt vào và trở thành ty thể, nhà máy năng lượng trong tế bào của chúng ta. Dòng cổ khuẩn nào đóng vai trò vật chủ, và nó từng có đặc điểm ra sao, đã là chủ đề tranh luận nhiều năm, phần lớn chỉ dựa trên những mảnh DNA được lấy từ bùn và nước biển.

Heimdallarchaeia nằm ở trung tâm cuộc tranh luận đó. Chúng thuộc ngành Promethearchaeota, vốn được biết đến nhiều hơn dưới tên cũ là cổ khuẩn Asgard, và các cây phả hệ di truyền xếp chúng là nhánh cổ khuẩn gần với sinh vật nhân thực nhất. Trước đây, chưa ai quan sát cận cảnh một cá thể sống thuộc nhóm này, vì vậy các đề xuất rằng chúng đã có cấu trúc nội bào phức tạp, hoặc có thể hô hấp oxy như chúng ta, chỉ dựa trên việc đọc hệ gene.

Cách họ làm được điều đó

Các vi sinh vật này đến từ một nơi bất thường: lớp màng sinh học phủ mặt trong của một giếng khí tự nhiên trên bán đảo Boso, thuộc tỉnh Chiba, phía đông Tokyo. Nước ngầm mặn, giàu methane phun lên tại đây và định kỳ trào ra như một mạch nước phun nhỏ, vì thế lớp màng thường xuyên tiếp xúc với không khí. Nhóm nghiên cứu đã cố ý chọn địa điểm này, với hy vọng bắt gặp họ hàng của sinh vật nhân thực từng có lịch sử thích nghi nào đó với oxy.

Việc nuôi cấy chúng mất ba năm. Các nhà nghiên cứu cho các quần thể ăn lượng rất nhỏ thức ăn giàu protein, gồm casamino acid, peptone và sữa bột, đồng thời sử dụng nhiều đợt kháng sinh để loại bỏ các vi khuẩn cạnh tranh, rồi chuyển những cá thể sống sót sang môi trường nuôi mới hết lần này đến lần khác. Kết quả là hai chủng, mang tên HC1 và SC1. HC1 hiện sống trong một cặp cộng sinh ổn định với duy nhất một vi sinh vật đối tác tạo methane; SC1 sống trong một bộ ba với hai đối tác như vậy.

Đây không phải những sinh vật phát triển nhanh. HC1 mất khoảng một tuần hoặc lâu hơn để tăng gấp đôi, còn SC1 mất từ hai đến ba tuần. Một vi khuẩn đường ruột như E. coli có thể tăng gấp đôi trong khoảng 20 phút. Sau đó, nhóm nghiên cứu khảo sát các tế bào bằng kính hiển vi điện tử quét và truyền qua, chụp cắt lớp điện tử cryo tái dựng tế bào đông lạnh ở dạng 3D, cùng phương pháp đánh dấu huỳnh quang; họ cũng giải trình tự cả hai hệ gene, với kích thước lần lượt là 7,91 và 6,75 triệu ký tự DNA.

Đơn giản bên trong, phức tạp bên ngoài

Qua hàng chục ảnh hiển vi điện tử, không chủng nào cho thấy màng nội bào cố định, dấu hiệu đặc trưng của tế bào nhân thực. Một số ít tế bào có các cấu trúc nhỏ dạng bong bóng xuất hiện rồi biến mất, nhưng không có nhân, không có lưới nội chất và không có gì mà một nhà sinh học tế bào gọi là bào quan. Các tế bào phân đôi như những vi sinh vật thông thường.

Bề mặt của chúng kể một câu chuyện khác. Sau một giai đoạn tăng trưởng, phần lớn tế bào phát triển nhiều nhánh dày khoảng 370 nanomet, phân nhánh và phình ra; các nhánh này thường chiếm thể tích lớn hơn cả thân tế bào, trung bình gấp khoảng 1,4 lần. Những nhánh ấy đan xen các sợi trông giống actin, loại protein tạo hình dạng cho tế bào của chính chúng ta, và chúng bám giữ vật lý vào các vi sinh vật đối tác. Những tế bào đang trong quá trình phân chia không bao giờ có các nhánh này.

Mối quan hệ cộng sinh đó không phải lựa chọn tùy ý. Cả hai chủng đều phân giải các mảnh protein và thải ra hydro, một phản ứng sẽ đình trệ nếu không có đối tác liên tục dọn sạch hydro. Khi các nhà nghiên cứu dùng chất ức chế chặn các đối tác tạo methane, cổ khuẩn ngừng phát triển hoàn toàn.

Một đặc điểm nữa thu hút sự chú ý của nhóm. Khi HC1 có thêm thức ăn, nó không phân chia nhanh hơn. Thay vào đó, tế bào của nó lớn hơn và mọc nhiều nhánh hơn. Chụp ảnh trên diện rộng khoảng 15.000 tế bào cho thấy mỗi tế bào có các nhánh lớn hơn và nhiều hơn, còn lượng protein trên mỗi tế bào tăng từ 66 lên 226 femtogram. Vi khuẩn và cổ khuẩn điển hình dồn năng lượng dư thừa vào sinh sản. Các tác giả lưu ý rằng việc đánh đổi kích thước lấy sinh sản là điều sinh vật nhân thực vẫn làm.

Bí ẩn về oxy

HC1 mang gene mã hóa các oxidase đầu cuối, những enzyme ở động vật nằm tại cuối chuỗi sử dụng oxy để tạo năng lượng. Một số nhà nghiên cứu từng diễn giải các gene tương tự trong DNA của Heimdallarchaeia là dấu hiệu rằng tổ tiên của sinh vật nhân thực đã hô hấp oxy. Các quần thể nuôi cấy lại cho thấy điều ngược lại. Việc bổ sung dù chỉ oxy ở mức vết, hoặc tạo bầu khí quyển chứa 1% oxy, cũng làm số lượng tế bào HC1 giảm xấp xỉ một trăm lần.

HC1 chỉ có thể sống sót trong oxy khi được hỗ trợ. Khi các vi khuẩn tiêu thụ oxy được phân lập từ quần thể làm giàu ban đầu được thêm vào môi trường nuôi, HC1 vẫn phát triển dù có mức oxy thấp, dù không tạo thêm tế bào nào so với trước. Hệ gene của nó cũng thiếu bộ máy cần thiết để chuyển electron từ thức ăn sang oxy. Nhóm nghiên cứu kết luận các oxidase hoạt động như một cơ chế phòng vệ, quét sạch oxy, tương tự cách chúng hoạt động ở các sinh vật kỵ khí bắt buộc khác. Ferritin, một protein hạn chế tổn hại do oxy liên quan đến sắt, nằm trong số ba protein được biểu hiện mạnh nhất ở HC1.

Một kiểm định trên toàn hệ gene cũng chỉ về cùng hướng đó. Các nhà nghiên cứu đã huấn luyện một bộ phân loại dựa trên các enzyme phân biệt sinh vật cần oxy với sinh vật tránh oxy, và nó phân loại đúng các vi sinh vật đã biết khoảng 95% số lần. Khi áp dụng cho toàn bộ ngành Asgard, kết quả cho thấy nhóm này nhìn chung là kỵ khí, dù có hay không có gene oxidase.

Điều này phù hợp với một ý tưởng mang tên mô hình Ox-Tox: vi khuẩn sau này trở thành ty thể ban đầu có được vị trí của nó nhờ hấp thụ oxy vốn độc hại với vật chủ cổ khuẩn, rất lâu trước khi nó trở thành nguồn cung năng lượng của tế bào.

Những điều vẫn chưa được giải quyết

Các vi sinh vật này là họ hàng của tổ tiên, không phải chính tổ tiên đó. Chúng đã có quãng thời gian tiến hóa dài ngang với chúng ta, theo hầu hết ước tính là khoảng hai tỷ năm, và bất kỳ đặc điểm nào quan sát thấy ngày nay cũng có thể đã được thu nhận hoặc đánh mất trên đường đi. Phân tích của chính nhóm nghiên cứu cho thấy các gene xử lý oxy đã được chuyển ngang giữa những nhóm có quan hệ gần, vì vậy việc tổ tiên có mang những gene này hay không vẫn chưa có lời giải.

Mẫu nghiên cứu cũng nhỏ. Mới chỉ có ba chủng thuộc nhánh này của cây tiến hóa được xem xét dưới kính hiển vi: HC1, SC1 và một quần thể làm giàu được một nhóm khác báo cáo trước đó. Cả ba đều không có bào quan, nhưng một dòng dõi đa dạng đến vậy có thể bao gồm các thành viên với cấu trúc bên trong phức tạp hơn. Những bong bóng nội bào thỉnh thoảng xuất hiện ở một số tế bào hiện vẫn chưa có lời giải thích, và các tác giả không gọi chúng là bào quan nguyên thủy cũng không coi là vật nhiễu.

Điều kiện phòng thí nghiệm cũng quan trọng. Hình dạng tế bào thay đổi khi chúng được cố định bằng hóa chất để chụp ảnh, và các nhánh có xu hướng gãy rời, một cảnh báo mà chính các tác giả nêu ra về việc suy luận giải phẫu từ các mẫu được bảo quản. Các quần thể nuôi cấy là các cặp và bộ ba thuần với đối tác, chứ không phải các quần thể đơn loài, bởi cổ khuẩn không thể phát triển một mình.

Một dòng dõi nay đã mở ra cho thí nghiệm

Nhóm JAMSTEC từng nuôi cấy thành công thành viên đầu tiên của nhóm Asgard rộng hơn, một chủng có tên MK-D1 từ trầm tích biển sâu, và công bố vào năm 2020. Năm 2023, một nhóm tại Vienna mô tả thành viên thứ hai, Lokiarchaeum ossiferum, cũng có những nhánh tương tự. Các chủng mới thuộc nhánh gần với sinh vật nhân thực nhất, phát triển nhanh hơn MK-D1 và có tế bào lớn hơn, khiến chúng dễ nghiên cứu hơn nhiều.

Nhóm đã đề xuất tên cho cả hai: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum cho HC1, tên chi mang họ của Lynn Margulis, nhà sinh học cổ vũ cho lý thuyết rằng ty thể bắt đầu như những vi khuẩn bị bắt giữ, và Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum cho SC1.

Những câu hỏi thường gặp về cổ khuẩn đứng sau sự sống phức tạp

Cổ khuẩn Asgard là gì?

Cổ khuẩn Asgard, nay có tên chính thức là Promethearchaeota, là một nhóm vi sinh vật đơn bào lần đầu được nhận diện từ DNA môi trường và được đặt tên theo thần thoại Bắc Âu. Hệ gene của chúng mang nhiều gene từng được cho là chỉ có ở sinh vật nhân thực, đó là lý do chúng được xem là dòng dõi sản sinh ra tế bào phức tạp.

Con người có tiến hóa từ cổ khuẩn không?

Theo một nghĩa sâu xa, có. Mô hình hàng đầu cho rằng tế bào nhân thực đầu tiên hình thành khi một cổ khuẩn có quan hệ với Heimdallarchaeia ngày nay cộng sinh với một vi khuẩn rồi vi khuẩn ấy trở thành ty thể. Mọi động vật, thực vật và nấm đều có nguồn gốc từ tế bào hợp nhất đó.

Heimdallarchaeia có nhân không?

Không. Các chủng HC1 và SC1 được nuôi cấy không có nhân và không có màng nội bào cố định. Sự phức tạp của chúng nằm ở bên ngoài, trong các nhánh dài phân nhánh kết nối với vi sinh vật đối tác.

Những cổ khuẩn này có thể sống cùng oxy không?

Hầu như không. Chúng là sinh vật kỵ khí và số lượng giảm khoảng một trăm lần khi có oxy ở mức vết, nhưng một chủng đã sống sót ở mức oxy thấp khi các vi khuẩn tiêu thụ oxy cùng hiện diện trong quần thể nuôi cấy.

Nghiên cứu được công bố trên Nature vào ngày 28 tháng 10 năm 2026, và lần đầu được đăng dưới dạng bản thảo tiền công bố vào tháng 2 năm 2025. JAMSTEC cho biết hai chủng này giờ sẽ đóng vai trò là các mô hình thực nghiệm; nhóm sẽ tập trung vào cấu trúc tế bào của chúng và cách chúng gắn kết với vi sinh vật đối tác để lần theo cách một tế bào cổ khuẩn có nhánh ở bên ngoài rốt cuộc lại xây dựng được nhân ở bên trong.

Tài liệu tham khảo: Imachi, Nobu et al., “Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Thẻ: Asgard archaea, Heimdallarchaeia, JAMSTEC, sinh học tế bào, sinh vật nhân thực, tiến hóa