Quá trình tiến hóa bất thường tiết lộ khả năng lây lan nhanh chóng của Omicron

Không ngừng kinh ngạc về biến thể Omicron

Khi biến thể Omicron xuất hiện ở Nam Phi hồi tháng 11/2021, các nhà khoa học đã rất kinh ngạc về cấu tạo gen của nó. Trong khi những biến thể trước đó chỉ khác chủng virus SARS-CoV-2 ở Vũ Hán 2 hoặc 10 đột biến thì biến thể Omicron có tới 53 đột biến khác biệt - một sự tăng vọt gây sốc trong sự tiến hóa của virus.

Trong một nghiên cứu được công bố tuần trước, đội ngũ các nhà khoa học quốc tế đã đi sâu vào tìm hiểu bí ẩn này. Họ phát hiện ra 13 trong số những đột biến trên là đột biến hiếm gặp, cho thấy chúng lẽ ra phải có hại với biến thể Omicron. Tuy nhiên, thay vào đó, khi phối hợp với nhau, những đột biến này dường như lại chính là chìa khóa cho một số chức năng quan trọng nhất của biến thể Omicron.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm hiểu biến thể Omicron đang chống lại những quy luật tiến hóa thông thường như thế nào và sử dụng các đột biến trên ra sao để trở thành một phiên bản "thành công" như vậy.

"Có một bí ẩn ở đây mà chúng ta phải tìm hiểu", Darren Martin - một chuyên gia về virus tại Đại học Cape Town nhận định.

Các đột biến là một phần trong sự tồn tại của virus. Mỗi lần virus nhân lên trong một tế bào, có một khả năng nhỏ tế bào sẽ tạo ra một phiên bản lỗi trong hệ gen của nó. Nhiều đột biến trong số đó sẽ khiến các virus mới bị phát hiện và không thể cạnh tranh với những virus khác. Tuy nhiên, đột biến cũng có thể cải thiện khả năng của virus. Nó có thể khiến virus gắn chặt vào tế bào hơn hay làm cho nó nhân lên nhanh hơn. Virus sở hữu đột biến có lợi cho nó sẽ vượt trội hơn so với những chủng virus khác.

Trong hầu hết năm 2020, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng những biến thể khác nhau của virus SARS-CoV-2 trên thế giới đã lựa chọn một số đột biến. Quá trình tiến hóa này diễn ra từ từ và ổn định cho tới cuối năm.

Vào tháng 12/2020, các nhà nghiên cứu Anh đã kinh ngạc khi phát hiện ra một biến thể mới mang 23 đột biến chưa từng xuất hiện trong chủng virus ban đầu ở Vũ Hán, Trung Quốc 1 năm trước đó.

Biến thể này, sau đó được đặt tên là Alpha nhanh chóng càn quét để chiếm ưu thế trên thế giới. Tuy nhiên, trong năm 2021, các biến thể lây lan nhanh khác đã xuất hiện. Trong khi một số biến thể chỉ xuất hiện ở một số quốc gia và châu lục thì biến thể Delta, với 20 đột biến riêng biệt, đã vượt qua biến thể Alpha để trở thành biến thể vượt trội nhất trong mùa hè 2021.

Kế tiếp, biến thể Omicron xuất hiện, với số lượng đột biến nhiều gấp đôi. Ngay khi biến thể Omicron xuất hiện, Martin và các đồng nghiệp của ông dự định sẽ tái xây dựng quá trình tiến hóa của biến thể này bằng cách so sánh 53 đột biến của nó với những đột biến của các biến thể khác. Theo đó có một số đột biến mà cả biến thể Omicron, Delta và những biến thể khác đều sở hữu, cho thấy quá trình chọn lọc tự nhiên đã nhiều lần lựa chọn chúng.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra một kiểu đột biến khác khi họ xem xét protein gai, vốn gắn trên bề mặt của Omicron và cho phép nó xâm nhập vào tế bào.

Những điều chưa từng chứng kiến trước đó

Ở protein gai của biến thể Omicron có 30 đột biến. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng 13 trong số những đột biến này hiếm gặp một cách khó tin ở những virus corona khác, thậm chí cả những "họ hàng xa" của virus được tìm thấy trên dơi. Một số trong 13 đột biến này chưa từng được tìm thấy trước đó trên hàng triệu mẫu bệnh phẩm chứa virus SARS-CoV-2 được giải trình tự gen.

Nếu một đột biến có lợi với virus, các nhà khoa học dự đoán nó sẽ xuất hiện thường xuyên hơn trong các mẫu bệnh phẩm. Tuy nhiên, nếu đột biến đó hiếm gặp và biến mất hoàn toàn, đó là dấu hiệu có hại với virus khi ngăn cản nó nhân lên.

"Khi bạn nhìn thấy kiểu đột biến này, nó sẽ nói cho bạn một vài điều rất rõ ràng. Bất kỳ đột biến nào duy trì sự thay đổi tại những vị trí trên có lẽ đều bị phát hiện, không tồn tại lâu và sẽ biến mất".

Tuy nhiên, biến thể Omicron đã không tuân theo logic này.

"Biến thể Omicron không biến mất. Nó chỉ đang đưa chúng ta tới những điều chúng ta chưa từng chứng kiến trước đó", nhà nghiên cứu Martin cho hay.

Điều khiến 13 đột biến trên trở nên khó hiểu là nó không rải rác một cách ngẫu nhiên trên protein gai của Omicron. Chúng đã tạo thành 3 nhóm, với mỗi nhóm thay đổi một phần nhỏ của protein gai. Mỗi một khu vực trong 3 khu vực này đều đóng vai trò quan trọng trong việc khiến biến thể Omicron trở nên "độc nhất vô nhị".

Hai nhóm đã thay đổi protein gai gần phần đầu của nó, khiến cho các kháng thể của con người khó gắn vào virus hơn và khiến nó nằm ngoài các tế bào. Do vậy, biến thể Omicron có khả năng lây lan ở cả những người đã phát triển kháng thể sau khi tiêm vaccine hoặc từng mắc Covid-19 trước đó.

Nhóm đột biến thứ ba thay đổi protein gai gần khu vực được gọi là miền dung hợp.

Thông thường, virus corona sử dụng miền dung hợp để nhập với màng tế bào. Sau đó gen của virus sẽ trôi nổi sâu vào trong tế bào. Tuy nhiên, màng dung hợp của biến thể Omicron lại làm một điều khác. Thay vì nhập vào màng tế bào, toàn bộ virus bị nuốt chửng vào bên trong tế bào và từ đó hình thành một bong bóng trong đó. Khi virus ở trong tế bào, nó sẽ phá vỡ lớp bong bóng trên và giải phóng bộ gen của mình. Con đường lây nhiễm mới có lẽ giúp giải thích tại sao biến thể Omicron ít nghiêm trọng hơn Delta. Các tế bào ở đường hô hấp trên có thể nuốt chửng biến thể Omicron trong các bong bóng nhưng khi virus vào sâu trong phổi, thời điểm Covid-19 đe dọa đến tính mạng người mắc, các virus này sẽ phải làm tổn thương các tế bào, điều mà biến thể Omicron không làm tốt.

3 khu vực trên của protein gai dường như có tầm quan trọng với sự thành công của biến thể Omicron trong quá trình lây nhiễm. Tuy nhiên, điều đó cũng khiến cho việc giải thích tại sao 13 đột biến trên lại hiếm gặp như vậy trước khi biến thể Omicron xuất hiện, trở nên thách thức hơn.

Tương tác gen

Nhà nghiên cứu Martin và những cộng sự của ông nghi ngờ lý do nằm ở hiện tượng gọi là tương tác gen (epistasis): Một hiện tượng tiến hóa có thể tạo ra những đột biến có hại nhưng khi kết hợp với nhau thì lại có lợi cho virus.

Omicron có lẽ đã biến 13 đột biến xấu thành lợi thế của nó bằng cách tiến hóa dưới những điều kiện bất thường. Một khả năng có thể xảy ra là nó đã xuất hiện trong cơ thể của một người có hệ miễn dịch yếu, chẳng hạn như người nhiễm HIV trong một thời gian dài. Những người mắc Covid-19 kéo dài cũng có thể trở thành "phòng thí nghiệm tiến hóa" chứa nhiều thế hệ virus khác nhau.

Sự tiến hóa có lẽ xảy ra một cách khác biệt trong một vật chủ như vậy khi virus lây từ một người khỏe mạnh sang một người khác vài ngày hoặc vài tuần/lần.

"Khi virus mắc kẹt trong một cá thể như vậy, nó sẽ làm những điều mà bình thường nó sẽ không làm", Sergei Pond - một nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Temple và là tác giả của nghiên cứu mới cho hay.

Do một vật chủ có hệ miễn dịch suy giảm không tạo ra nhiều kháng thể nên sẽ để lại nhiều virus tiếp tục nhân lên.

Một đột biến giúp virus thoát khỏi các kháng thể không phải lúc nào cũng là lợi thế của virus. Nó có thể khiến protein gai của virus không ổn định, vì thế không thể nhanh chóng xâm nhập vào tế bào. Tuy nhiên, khi ở trong một người có hệ miễn dịch yếu, virus có lẽ đạt được những đột biến mới làm ổn định lại những protein gai này.

Các đột biến tương tự có thể tự nhân lên nhiều lần trong cùng một người cho tới khi biến thể Omicron xuất hiện với một protein gai sở hữu sự kết hợp hoàn hảo các đột biến giúp nó đạt được khả năng lây lan tối đa ngay cả ở những người khỏe mạnh.

Nhà sinh học tiến hóa Sarah Otto thuộc Đại học British Colombia mặc dù cho là khả năng trên có thể xảy ra, song nhận định các nhà khoa học vẫn cần nghiên cứu thêm để loại trừ những cách giải thích khác.

Nhà nghiên cứu Pond cũng thừa nhận giả thuyết của ông vẫn còn một số lỗ hỏng lớn. Chẳng hạn như hiện chưa rõ tại sao trong quá trình lây nhiễm thời gian dài, biến thể Omicron lại đạt được lợi thế từ phương pháp "bong bóng" mới của nó để xâm nhập vào tế bào.

James Lloyd-Smith, một nhà sinh thái bệnh học tại Đại học California, Los Angeles, người không liên quan đến nghiên cứu trên, cho rằng nghiên cứu này chỉ cho thấy việc tái xây dựng quá trình tiến hóa của virus khó khăn như thế nào, thậm chí cả với virus xuất hiện gần đây.

"Tự nhiên luôn khiến chúng ta phải cúi mình", chuyên gia này cho hay./.

Theo Kiều Anh (VOV.vn)