Mười năm vẽ “bản đồ cuộc sống” cho cá tầm Trung Quốc

Tin tức từ trang web này (Wang Lu) Ngày 22 tháng 5 là Ngày Đa dạng Sinh học Quốc tế lần thứ 24 Chủ đề năm nay là “Đa dạng sinh học, bạn và tôi cùng tham gia” Bảo vệ đa dạng sinh học đòi hỏi nỗ lực của mọi người Hôm nay chúng tôi kể cho bạn nghe câu chuyện về một đội và một con cá

　　

Mới đây, nghiên cứu giải trình tự toàn bộ bộ gen của cá tầm Trung Quốc đã chính thức được công bố làm trang bìa trên tạp chí học thuật hàng đầu trong lĩnh vực tin sinh học - Genomics, Proteomics & Bioinformatics (GPB)

Là loài động vật được bảo vệ cấp quốc gia và là loài tiêu biểu trong việc bảo vệ đa dạng sinh học dưới nước, cá tầm Trung Quốc luôn thu hút nhiều sự chú ý Các công nghệ bảo vệ loài ở cấp độ vi mô như nhân giống cá tầm, phòng bệnh, nhân giống chính xác và chọn lọc loài ưu việt đang rất cần những đột phá

Bài viết nêu trên tập trung vào việc giải trình tự và lắp ráp toàn bộ bộ gen của cá tầm Trung Quốc Bản đồ trình tự bộ gen hoàn chỉnh đầu tiên của cá tầm Trung Quốc có thể được gọi là “bản đồ sự sống” của cá tầm Trung Quốc Nó đưa nghiên cứu về lý thuyết và công nghệ bảo tồn cá tầm vào một lĩnh vực nghiên cứu rộng hơn và đóng góp sức mạnh của Trung Quốc vào việc bảo tồn đa dạng sinh học toàn cầu

Mở đầu bài viết: Ngàn tảng đá, khe núi, con đường bất định

Vào tháng 9 năm 2023, Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Môi trường Sinh thái Sông Dương Tử trực thuộc Tập đoàn Tam Hiệp Trung Quốc thông báo rằng sau 10 năm thăm dò, họ đã hoàn thành trình tự bộ gen hoàn chỉnh đầu tiên của các loài cá tầm Trung Quốc đơn bội và xây dựng bản đồ trình tự

　　
Bản đồ phân bố các đặc điểm chính của bản đồ trình tự tập hợp bộ gen cá tầm Trung Quốc

Đây là một thành tựu mang tính bước ngoặt quan trọng khác mà đội bảo vệ cá tầm Trung Quốc của Tập đoàn Tam Hiệp đạt được sau 40 năm nỗ lực không ngừng nghỉ và trên cơ sở những đột phá liên tiếp về công nghệ nhân giống cá tầm Trung Quốc, đột phá về công nghệ nhân giống nhân tạo thế hệ thứ hai và công nghệ nhân giống quy mô lớn cho cá tầm Trung Quốc

Trở lại những năm 1990, Dự án bộ gen người được xếp vào danh sách một trong ba dự án khoa học lớn của thế kỷ 20 3000 nhân viên khoa học kỹ thuật phải mất 13 năm mới vẽ được “bản đồ sự sống” cho nhân loại, mở ra kỷ nguyên khám phá sự sống vi mô Trong những năm tiếp theo, bản đồ trình tự bộ gen của các cây trồng có giá trị kinh tế như ngô, khoai tây, cải dầu lần lượt được vẽ ra, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nhân giống cây trồng di truyền

Giống như các nhạc sĩ sáng tác nhạc và các nhà thơ sáng tác ngôn từ, các nhà sinh học sử dụng gen làm công cụ để nghiên cứu bản chất của sự sống Trong số đó, bản đồ trình tự bộ gen có thể được coi là "Điều hướng Beidou" của nghiên cứu di truyền "Những ngôi sao trên bầu trời ám chỉ Beidou" Bản đồ này chỉ ra các hướng nghiên cứu chính cho nhiều công nghệ bảo tồn Bằng cách "tìm kiếm bản đồ" ở cấp độ phân tử, các nhà nghiên cứu khoa học sẽ tìm ra chính xác trình tự gen mục tiêu và chức năng của nó, đồng thời tiến hành nghiên cứu xác định và đánh giá chính xác nguồn gen cá tầm Trung Quốc, dấu hiệu giới tính, phòng bệnh và nhân giống chính xác

Đây là nhiệm vụ quan trọng và chưa từng có

Nhìn lại thời điểm thành lập dự án, Du Hejun, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, vào thời điểm đó, trong cộng đồng học thuật quốc tế hầu như chưa có lý thuyết nào về trình tự bộ gen của sinh vật bạch tuộc Họ chỉ có thể tham khảo các bài viết về giải trình tự toàn bộ hệ gen của các loài lưỡng bội và “mò mẫm” từng bước Các sinh vật lưỡng bội có hai bộ nhiễm sắc thể, một từ bố và một từ mẹ Ở các sinh vật autooctaploid, mỗi bố mẹ cung cấp bốn bộ nhiễm sắc thể Tám bộ nhiễm sắc thể rất giống nhau nhưng có những khác biệt nhất định

Cấp độ đầu tiên là mẫu

Để giảm tình trạng dị hợp tử do sự khác biệt giữa nhiễm sắc thể bố mẹ trong tế bào gây ra, nhóm nghiên cứu cuối cùng đã đạt được sự nhân đôi số nhiễm sắc thể của tế bào trứng sau nhiều lần khám phá và trồng được lứa cây giống cá tầm Trung Quốc đầu tiên trên thế giới, loài "cá Mabao" thực sự

Từ một tế bào đến một con cá lớn, có biết bao gian khổ “Sợ đói, sợ nóng, sợ ốm, tôi canh ao cá khi làm việc và tập trung vào đàn cá khi nghỉ ngơi Tôi luôn nghĩ đến chúng, chúng có ăn nhiều không và có bơi tốt không”, thành viên nhóm Wang Binzhong nhớ lại

Để tìm các mẫu bình thường nhằm hỗ trợ quá trình lắp ráp bộ gen cá tầm Trung Quốc, họ mặc quần cao su dày vào thời điểm lạnh nhất trong năm và xuống ao cá sâu đến thắt lưng để bắt cá, an ủi chúng, khám sức khỏe và lấy mẫu Vào mùa đông chết chóc, nhiệt độ nước chỉ vài độ C khiến người ta rùng mình vì lạnh

Và đây mới chỉ là “khúc dạo đầu” của nghiên cứu

Vấn đề lớn nhất nằm ở số lượng và độ bội thể (mức độ lặp lại) của nhiễm sắc thể Nếu so sánh các nhiễm sắc thể với một “chuỗi hạt” được sắp xếp theo các “hạt” cơ sở loại ATGC4, thì có 264 “chuỗi hạt” trong mỗi tế bào cá tầm Trung Quốc Octoploidy có nghĩa là 264 nhiễm sắc thể này được chia thành 8 nhóm và số lượng "hạt" trong nhóm là khoảng 1 tỷ Thứ tự sắp xếp tưởng chừng như giống nhau nhưng thực tế lại có sự khác biệt

Các mảnh cơ sở được sắp xếp cuối cùng có số lượng từ hàng triệu đến hàng chục triệu tế bào Quá trình lắp ráp bộ gen tương đương với việc xử lý các "đoạn hạt" này của các mảnh bắt đầu từ hàng tỷ cấp độ Nó yêu cầu quét thông tin, so sánh các điểm tương đồng và ghép lại để trình bày cách sắp xếp "hạt trên chuỗi" ban đầu

Khi dự án triển khai, các thuật toán lắp ráp bộ gen đã liên tục được tối ưu hóa trong những năm gần đây, nhưng việc khôi phục những "mảnh" lớn và phức tạp như vậy vẫn vô cùng khó khăn

Bản đồ: Tìm kiếm “nó” trong đám đông và Baidu

Từ năm 2013, Viện nghiên cứu cá tầm Trung Quốc đã bắt tay với BGI, một công ty tham gia Dự án bộ gen người, để khởi động một cuộc thám hiểm lâu dài

Trong giai đoạn này, hầu hết các chu kỳ làm việc được tính bằng "năm"

Qua hai năm thăm dò và nghiên cứu từ 2013 đến 2015, người ta xác định rằng “cá tầm Trung Quốc di truyền phụ khoa” sẽ được sử dụng làm mẫu để giải trình tự bộ gen DNA "Cá tầm Trung Quốc di truyền" có thể được gọi là cá tầm Trung Quốc đồng hợp tử Tất cả vật chất di truyền của nó đều đến từ cha mẹ cái (tế bào trứng), không có sự tham gia của vật liệu di truyền cha mẹ (tinh trùng), duy trì đủ độ tinh khiết Đây được chứng minh là yếu tố then chốt tạo nên thành công sau này của dự án

Từ năm 2015 đến 2017, sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ thứ hai làm trụ cột, nỗ lực đầu tiên được thực hiện nhằm giải trình tự và tập hợp toàn bộ bộ gen của cá tầm Trung Quốc, tích lũy những thông tin và kinh nghiệm quý giá

Từ năm 2019 đến năm 2021, các công nghệ giải trình tự thế hệ thứ hai và thế hệ thứ ba đã được kết hợp để hoàn thành việc xây dựng bản đồ trình tự bộ gen tham chiếu cá tầm Trung Quốc cấp độ nhiễm sắc thể chất lượng cao đầu tiên và việc chú thích chức năng bộ gen đã được thực hiện, tức là một "bản đồ" với chú thích vị trí đã được vẽ

Từ năm 2022 đến năm 2023, dựa trên bản đồ trình tự bộ gen của cá tầm Trung Quốc, một “thuyết tiến hóa” dành riêng cho cá tầm Trung Quốc sẽ được viết ra

Khi bắt đầu dự án, nhóm nghiên cứu đã có một mục tiêu rõ ràng là "Với tất cả sức lực của mình, chúng ta phải bẻ gãy được phần cứng này" Do sự phức tạp của bộ gen của loài và những hạn chế của sự phát triển công nghệ, những khó khăn và đường vòng đi kèm với hầu hết toàn bộ quá trình

Lấy lắp ráp làm ví dụ Một đoạn DNA chứa hàng trăm cặp bazơ Các vùng lặp đi lặp lại làm phức tạp việc lắp ráp và khó loại bỏ các lỗi đọc và xóa cơ sở Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã dành hai năm để tối ưu hóa chiến lược lắp ráp và xác minh đầy đủ rằng các đoạn gen được lắp ráp có tính liên tục cao và độ trung thực của nhiễm sắc thể cao, nhờ đó đạt được vị trí chính xác của "bản đồ" này

Để thúc đẩy nghiên cứu, họ và các nhóm hợp tác của mình thiết lập hệ thống báo cáo và thảo luận hàng tuần để liên tục khám phá các vấn đề mới và phân tích dữ liệu mới Các thành viên trong nhóm chia sẻ hiểu biết chung rằng nghiên cứu khoa học không phải là kỹ thuật mà là thử và sai dựa trên cơ sở lý thuyết nhất định Thất bại là chuyện bình thường nhưng hướng đi chung phải đúng đắn và có ý nghĩa

“Mười năm tuổi trẻ, một chặng đường cấp bách” Các thành viên trong nhóm than thở trong quá trình trao đổi: "Cảm giác cấp bách của chúng tôi bắt nguồn từ trách nhiệm và sứ mệnh của chúng tôi là trở thành người đầu tiên vẽ 'bản đồ di truyền' về cá tầm Trung Quốc và mở ra một tình thế mới cho nghiên cứu cá tầm Trung Quốc"

Bức tranh hoàn chỉnh: "Thuyền nhẹ đã vượt qua Vạn Sơn"

Một cặp base DNA có chiều dài khoảng 0,34 nanomet, bằng khoảng một phần trăm nghìn đường kính của một sợi tóc Tuy nhiên, sự sắp xếp và kết hợp chính xác của nó ghi lại phản ứng của cá tầm Trung Quốc đối với một loạt những thay đổi lớn về khí hậu trái đất trong hàng trăm triệu năm

100 bazơ tích lũy thành một đoạn DNA cơ bản và hàng nghìn mảnh tích lũy thành một nhiễm sắc thể

Dùng 10 năm để “giải mã” hàng trăm triệu năm thăng trầm, họ đã tích hợp tính khí cứng rắn như “gen” của cá tầm Trung Quốc vào nghiên cứu của mình, tập hợp bộ gen haplotype đầu tiên của cá tầm Trung Quốc với 2 tỷ base và chú thích chức năng của hơn 30000 gen của cá tầm Trung Quốc

Để đạt được mục tiêu này, họ đã giải trình tự hơn 2 nghìn tỷ cặp base DNA, xấp xỉ tổng số thiên hà trong vũ trụ có thể quan sát được Nó thực sự là "một mảng sao rộng lớn"

Năm 2023, trùng với dịp kỷ niệm 70 năm ra đời mô hình phân tử cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA, một bài báo thể hiện nỗ lực của 25 tác giả đã được xuất bản trực tuyến Họ đã giải đáp cuộc tranh luận kéo dài nửa thế kỷ trong lĩnh vực nghiên cứu cá tầm – tại sao cá tầm Trung Quốc lại trở thành như ngày nay?

Nghiên cứu cho thấy tổ tiên của cá tầm Trung Quốc đã trải qua quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể vào 210 triệu năm trước và 35 triệu năm trước Dưới tác động kép của quá trình lưỡng bội hóa và nhân đôi toàn bộ bộ gen, thể bát bội phức tạp hiện tại cuối cùng đã được hình thành

Kể từ thời điểm này, cá tầm Trung Quốc đã có “thuyết tiến hóa” của riêng mình

Sau khi công bố kết quả nghiên cứu, họ đã nhận được sự công nhận rộng rãi từ các đồng nghiệp quốc tế như Pháp, Ireland, Nga và Azerbaijan cũng như các cuộc đàm phán hợp tác từ các tổ chức nghiên cứu khoa học như Viện Nghiên cứu Cá tầm Quốc tế của Iran và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc

“Với sự hỗ trợ cơ bản, nghiên cứu của con người về bảo vệ cá tầm sẽ ngày càng sâu sắc và chính xác hơn” Vương Tân Trung nói

Bảy mươi năm sau, gen vẫn còn xa lạ và mới lạ đối với công chúng Nhưng trước mặt họ, “cầu thang” xoắn ốc này thật quen thuộc và thân thiện, đồng thời nó đang mở rộng hướng tới những khả năng vô tận trong tương lai - “bản đồ sự sống” mà họ đã xây dựng đang vượt ra ngoài sự bảo vệ của chính cá tầm Trung Quốc để trả lời các câu hỏi về sự tiến hóa của loài cá và việc bảo vệ loài

Đa dạng sinh học là nền tảng cho sự phát triển kinh tế, xã hội bền vững và cũng là nền tảng, huyết thống cho sự tồn tại và phát triển của con người Nó chứa đựng quá nhiều bí ẩn chưa được giải đáp và nhiều câu hỏi đang xuất hiện

Thuyền băng qua núi và hướng về biển xanh Du Hejun cho biết: “Đây là một hướng đi trẻ nhằm tạo ra các công nghệ bảo tồn mới và cũng có tiềm năng duy trì các quần thể loài có nguy cơ tuyệt chủng”

Trong cuộc phỏng vấn, phóng viên được biết bài báo đã được chọn làm trang bìa cho số đầu tiên của tạp chí GPB năm 2024 Nhóm nghiên cứu muốn vẽ một con cá tầm Trung Quốc còn sống và “cá nhảy qua cổng rồng” trên trang bìa Năm nay là năm Rồng Cá nhảy qua cửa rồng hóa rồng, điều đó cũng đồng nghĩa với việc việc nghiên cứu về cá tầm Trung Quốc đã bước vào một điểm khởi đầu mới

Lưu ý: Ý tưởng sáng tạo của ảnh bìa xuất phát từ ghi chép trong cuốn "Huainanzi Notes" của Gao You thời Đông Hán viết: "Cá ngừ là một con cá lớn, dài hơn 10 thước Vào tháng 2, tháng 2, khi đi lên từ Hexi, bạn có thể vượt qua Long Môn và hóa rồng" Bức tranh “Cá tầm bay chín trời hóa rồng” thể hiện cá tầm Trung Quốc nhảy qua cổng rồng, nơi tập hợp bộ gen và biến thành rồng Nó tượng trưng cho việc hoàn thành phân tích bộ gen cá tầm Trung Quốc đã đưa nghiên cứu về bộ gen của cá tầm và động vật đa bội lên một giai đoạn mới Bức tranh được vẽ bởi nhà nghiên cứu Wu Feixiang từ Viện Cổ sinh vật có xương sống và Nhân chủng học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc

Biên tập viên: Qin Yang, Ren Xian, Cheng Lin