Vi khuẩn sống bằng asen GFAJ-1 năm 2010 và vì sao bị phản bác

Vi khuẩn "sống bằng asen" là chủng GFAJ-1, lấy từ bùn hồ Mono ở California. Tháng 12/2010, một nhóm do Felisa Wolfe-Simon dẫn đầu, với tài trợ của NASA, công bố trên Science rằng vi khuẩn này có thể thay phốt pho bằng asen trong cả DNA. Tháng 7/2012, hai nhóm độc lập đăng trên chính tạp chí đó cho thấy GFAJ-1 vẫn cần phốt pho; nó chỉ chịu được asen rất giỏi.

Vì sao phốt pho quan trọng đến thế

Mọi sự sống đã biết đều dựa trên sáu nguyên tố chính: carbon, hydro, nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh. Phốt pho có mặt ở những chỗ then chốt nhất. Nó tạo nên "xương sống" của DNA và RNA, nối các đơn vị nucleotide với nhau qua nhóm phosphate. Nó nằm trong ATP, phân tử mang năng lượng của tế bào. Nó cũng có trong màng tế bào dưới dạng phospholipid.

Asen đứng ngay dưới phốt pho trong bảng tuần hoàn, nên có nhiều tính chất hoá học giống phốt pho. Ion arsenate (asen gắn với bốn oxy) có hình dạng gần giống phosphate. Chính sự giống nhau ấy làm asen độc: tế bào "nhầm" arsenate với phosphate, đưa nó vào các phản ứng sống, và các phản ứng hỏng theo. Nếu có sinh vật dùng được asen thay phốt pho một cách bình thường, đó sẽ là hoá sinh khác hẳn mọi sự sống đã biết.

Hồ Mono và chủng GFAJ-1

Hồ Mono ở miền đông California là một hồ nước mặn, kiềm, không có cửa thoát ra biển. Nước bốc hơi để lại muối và khoáng chất, trong đó có nồng độ asen cao bất thường. Đây là nơi lý tưởng để tìm những vi sinh vật quen sống với asen.

Felisa Wolfe-Simon, khi đó là nghiên cứu viên trong chương trình sinh học vũ trụ của NASA, làm việc tại phòng thí nghiệm của Cục Địa chất Hoa Kỳ, lấy bùn từ hồ và nuôi vi khuẩn trong môi trường có asen tăng dần, phốt pho giảm dần. Một chủng thuộc họ Halomonadaceae sống sót và phát triển được. Nhóm đặt tên nó là GFAJ-1.

Bài báo và cuộc họp báo tháng 12/2010

Bài báo được đăng trực tuyến trên Science đầu tháng 12/2010. Nhóm báo cáo rằng GFAJ-1 tăng trưởng trong môi trường có rất nhiều arsenate và "không thêm phosphate", rằng asen được tìm thấy trong các phần của tế bào, kể cả phần DNA, và đề xuất rằng vi khuẩn đã thay một phần phốt pho bằng asen trong các phân tử sinh học.

Trước đó vài ngày, NASA phát thông báo mời báo chí về một phát hiện sinh học vũ trụ "sẽ ảnh hưởng tới việc tìm kiếm bằng chứng sự sống ngoài Trái Đất". Lời mời mơ hồ ấy khiến nhiều người đoán NASA sắp công bố sự sống ngoài hành tinh. Khi thông tin thật là một vi khuẩn trên Trái Đất, sự chú ý đã quá lớn, và áp lực đè lên một bài báo duy nhất.

Phản biện bùng lên ngay sau công bố

Chỉ trong vài ngày, nhiều nhà vi sinh và hoá sinh chỉ ra các chỗ yếu. Đáng chú ý là phản biện diễn ra rất công khai: trên blog, mạng xã hội, chứ không chỉ trong thư gửi toà soạn. Nhà vi sinh học Rosie Redfield ở Đại học British Columbia (Canada) viết phân tích chi tiết trên blog, rồi sau đó công khai tiến trình lặp lại thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của mình theo kiểu "khoa học mở".

Các điểm phản biện chính:

• Môi trường "không thêm phosphate" vẫn có phosphate. Hoá chất dùng pha môi trường, kể cả muối arsenate, chứa một lượng phosphate tạp chất nhỏ. Với vi khuẩn, chừng đó có thể đủ để sống, nhất là loài giỏi tích trữ phốt pho.
• DNA chưa được tinh sạch đủ. Asen phát hiện được trong phần chiết DNA có thể là asen bám bên ngoài hoặc lẫn từ các thành phần khác, chưa chứng minh nằm trong xương sống DNA.
• Hoá học không ủng hộ. Liên kết ester của arsenate bị nước phân huỷ cực nhanh, nhanh hơn liên kết phosphate rất nhiều bậc. Một DNA có xương sống asen sẽ tự đứt trong nước, khó tưởng tượng nó giữ được thông tin di truyền.

Tháng 5/2011, Science đăng kèm một loạt bình luận kỹ thuật phản biện cùng phần trả lời của nhóm tác giả. Chủng GFAJ-1 cũng được chia sẻ cho các phòng thí nghiệm khác để kiểm tra.

Năm 2012: hai phép thử độc lập

Tháng 7/2012, Science đăng hai nghiên cứu lặp lại:

• Nhóm của Rosie Redfield (cùng cộng sự ở Đại học Princeton) tinh sạch DNA kỹ lưỡng và dùng phép đo khối phổ nhạy, không tìm thấy arsenate gắn vào DNA của GFAJ-1.
• Nhóm ở ETH Zurich (Thuỵ Sĩ) xác định GFAJ-1 là vi khuẩn cần phosphate để sống, nhưng chịu được nồng độ arsenate rất cao, và có khả năng chọn lọc phosphate khỏi arsenate khi lấy chất từ môi trường.

Kết luận được đa số chấp nhận: GFAJ-1 là một vi khuẩn chịu asen xuất sắc, không phải sinh vật dùng asen thay phốt pho. Đó vẫn là một sinh vật thú vị, chỉ là không phải "dạng sống mới".

Mốc thời gian

Bài học về truyền thông và về "bình duyệt sau xuất bản"

Câu chuyện GFAJ-1 thường được nhắc trong các lớp về truyền thông khoa học, và chủ yếu là về hệ thống chứ không phải về một cá nhân. Một nhà nghiên cứu trẻ có giả thuyết táo bạo, đi tìm và tưởng đã thấy. Bài báo vượt qua bình duyệt của một tạp chí hàng đầu. Một cơ quan lớn đóng khung nó như một phát hiện chấn động. Khi đó, mọi điểm yếu của nghiên cứu bị khuếch đại theo đúng mức kỳ vọng đã được dựng lên.

Mặt tích cực là tốc độ tự sửa. Từ lúc công bố tới lúc có hai phép thử độc lập chỉ khoảng một năm rưỡi. Phần lớn nhờ cái gọi là bình duyệt sau xuất bản: các nhà khoa học trên khắp thế giới đọc, phân tích công khai, đòi mẫu vật, và làm lại thí nghiệm. Việc chủng vi khuẩn được chia sẻ, thay vì giữ kín, là điều kiện then chốt.

Cách xử lý một bài báo có kết luận chính không đứng được nhưng không có dấu hiệu gian lận, rút bài hay để nguyên kèm các phản biện, đến nay vẫn là câu hỏi được giới biên tập tạp chí bàn cãi, và GFAJ-1 là một trong những trường hợp được nhắc tới nhiều nhất.

Góc nhìn hôm nay: tìm sự sống "lạ" vẫn là câu hỏi nghiêm túc

Ý tưởng về những dạng sống có hoá sinh khác, đôi khi gọi là "sinh quyển bóng tối", vẫn được các nhà sinh học vũ trụ nghiên cứu nghiêm túc. Câu chuyện GFAJ-1 không khép lại câu hỏi đó; nó chỉ cho thấy tiêu chuẩn bằng chứng phải cao thế nào. Muốn chứng minh asen thay phốt pho trong DNA, cần DNA được tinh sạch tuyệt đối, môi trường thật sự không có phosphate, và nhiều phòng thí nghiệm độc lập cùng xác nhận.

Một vài điều mang về khi đọc tin "phát hiện dạng sống mới":

• Đọc kỹ nghiên cứu chứng minh cái gì: sinh vật "chịu được" một chất khác rất xa với "dùng" chất đó để cấu tạo cơ thể.
• Để ý đối chứng: môi trường "không có X" đã được đo để chắc không có X chưa?
• Chờ phép lặp lại, nhất là khi phát hiện đi kèm họp báo lớn.

Về an toàn: asen và hợp chất asen rất độc với người. Ở Việt Nam, asen trong nước giếng khoan ở một số vùng đồng bằng là vấn đề sức khoẻ đã được ghi nhận; người dùng nước giếng nên xét nghiệm nước ở cơ sở có chức năng và làm theo hướng dẫn của cơ quan y tế địa phương.