Giải thích con đường biến chủng của virus SARS-CoV-2 bằng kiến thức sinh học lớp 9

Tháng 9 năm 2020, một mẫu của biến thể của virus SARS-CoV-2 được gọi là B.1.1.7 lần đầu tiên được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Còn được gọi là biến thể ở Anh, B.1.1.7 chỉ mất 3 tháng để vượt qua chủng virus SARS-CoV-2 ban đầu và chiếm ưu thế trên tổng số ca nhiễm COVID-19 ở xứ sở sương mù.

Ngày nay, cứ 10 ca nhiễm COVID-19 ở Anh thì có 9 ca nhiễm biến thể B.1.1.7. Với tải lượng virus và khả năng lây lan cao hơn tới 75% so với chủng corona ban đầu, biến thể SARS-CoV-2 ở Anh hiện đã lan tới 35 quốc gia và vùng lãnh thổ.

Nhưng B.1.1.7 cũng không phải là biến thể duy nhất và cuối cùng của SARS-CoV-2. Một biến thể khác của virus này đã được tìm thấy ở Nam Phi với tên gọi 501.v.2 hay N501Y. Nó cũng có tốc độ lây lan mạnh hơn so với chủng virus ban đầu.

Nhưng làm thế nào mà SARS-CoV-2 có thể phát triển thành các biến thể nguy hiểm này? Câu trả lời hóa ra có ngay trong sách giáo khoa Sinh học lớp 9: Bài 21 Chương IV: Biến dị và đột biến gen.

Chúng ta biết rằng virus sinh sôi bằng cách nhân đôi bộ gen – chính là các chuỗi xoắn đơn được gọi là RNA – của chúng. RNA được cấu tạo từ các nucleotide — hay các phân tử mã hóa protein hữu cơ được phân loại thành adenine (A), thymine (T), cytosine (C) hoặc uracil (U).

Quá trình nhân đôi RNA của virus được hỗ trợ bằng một enzyme xúc tác gọi là RNA phụ thuộc RNA polymerase (RdRp). Enzyme này làm nhiệm vụ xâu chuỗi các nucleotide lại với nhau theo khuôn RNA ban đầu của virus.

Nhưng với một chuỗi RNA dài tới 30.000 nucleotide như của SARS-CoV-2, quá trình sao chép rất dễ xảy ra lỗi hay còn gọi là đột biến. Và chính các lỗi sao chép này là nơi mà biến thể virus mới được sinh ra, theo một trong 6 con đường dưới đây:

6 con đường biến thể của virus SARS-CoV-2

Loại đầu tiên và cũng thường xuyên xảy ra nhất là đột biến thay thế. Ví dụ như ở một vị trí trên chuỗi RNA của virus SARS-CoV-2, lẽ ra nucleotide T phải xuất hiện thì nó lại bị thay thế bởi nucleotide G.

Trong những ngày đầu của đại dịch COVID-19, các nhà khoa học đã hi vọng rằng SARS-CoV-2 là một chủng virus ít đột biến, bởi không giống như các virus RNA khác như cúm hay HIV, virus corona được trang bị một cơ chế sửa chữa RNA – thứ có thể khắc phục được các đột biến thay thế xảy ra trong quá trình phiên và dịch mã của nó.

Sự thật trong một năm qua, SARS-CoV-2 có bản chất là một chủng virus ít đột biến. Nhưng bản chất đó lại được bù đắp bằng quá trình lây lan mạnh của virus này. Khi chúng lây lan mạnh hơn, có nghĩa là số lượng các lần phiên mã và dịch mã sẽ xảy ra nhiều hơn và SARS-CoV-2 đã lấy số lượng bù cho chất lượng để tạo ra các chủng đột biến nguy hiểm hơn.

Loại đột biến thứ hai mà virus dùng để biến chủng, đó là xóa nucleotide. Nói đúng hơn là khi RNA polymerase bỏ qua một vị trí trong mã di truyền, nucleotide ở vị trí đó trên RNA của virus SARS-CoV-2 sẽ bị xóa.

Một đặc điểm nguy hiểm của dạng đột biến xóa nucleotide, đó là virus không thể sửa chữa chúng. Xóa nucleotide cũng khiến virus thay đổi và biến chủng đáng kể - vì vậy, đây cũng là dạng đột biến khiến các nhà khoa học quan tâm nhất.

Thật may mắn, nhiều khả năng việc xóa nucleotide sẽ khiến bản thân virus bị tổn hại hoặc thậm chí giết chết chúng. Nhưng đôi khi, virus có thể bị xóa rất nhiều nucleotide mà vẫn phát triển với các đột biến vô tình khiến chúng mạnh lên.

Đột biến xóa nucleotide được chia thành 2 loại: trong khuôn và ngoài khuôn. Chừng nào các nucleotide bị xóa xuất hiện theo bội số của ba, chúng được gọi là trong khuôn và không ảnh hưởng quá nhiều tới toàn bộ protein.

Tuy nhiên, nếu nucleotide xóa xảy ra đơn lẻ hoặc kép nó được xác định là ngoài khuôn. Đột biến xóa dạng này sẽ phá vỡ toàn bộ protein. Nó giống như một ký tự biến mất khiến cả đoạn văn đằng sau bịx ôl ệchn hưt hến ày.

Loại đột biến thứ ba là đột biến chèn nucleotide. Ngược với đột biến xóa, đột biến chèn xảy ra khi một hoặc nhiều nucleotide bất ngờ xuất hiện ở một vị trí chen giữa các ký tự gốc trên RNA. Nguyên nhân cũng ngược lại với đột biến xóa, đột biến chèn nucleotide xảy ra khi RNA polymerase bị trượt trên quá trình phiên mã.

Thông thường, đột biến chèn sẽ khiến quá trình dịch mã kết thúc sớm hơn, do gặp phải mã dừng sớm hơn. Kết quả là virus có thể bị cắt ngắn, tạo ra các protein khuyết tật và hoạt động không bình thường.

Loại đột biến thứ tư là đảo ngược, xảy ra khi một đoạn của bộ gen bị lật trên đầu của nó. Điều khiến khiến thứ tự các nucleotide của virus bị đảo ngược. Còn khi RNA polymerase nói lắp và phun ra cùng một bit thông tin lặp đi lặp lại, một bản sao các nucleotide sẽ được tạo ra — đây là dạng đột biến thứ năm, có tên là sao chép.

Loại đột biến thứ sáu và cuối cùng là tái tổ hợp. Đúng theo nghĩa đen của nó, đột biến tái tổ hợp xảy ra khi các phần của 2 loại virus riêng biệt dính liền lại với nhau. Khi 2 bộ gen virus khác nhau nằm trong cùng một tế bào, các mảnh RNA của chúng có thể xáo trộn từ chỗ này sang chỗ khác, vô tình cố định thành các dạng mới trong quá trình này.

Các nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc gen của SARS-CoV-2 cho biết loại virus này chủ yếu biến chủng bằng hình thức tái tổ hợp. Các tài liệu trước đây cho thấy có thể virus corona đã tái tổ hợp nhiều lần và đột biến nhiều lần trên dơi trước khi sinh ra virus SARS-CoV-2 có thể lây nhiễm sang một loài động vật trung gian khác – như tê tê- sau đó lây sang con người.

Một số báo cáo chưa được công bố cũng cho thấy sự nghi ngờ của các nhà khoa học, rằng các biến thể SARS-CoV-2 trên người cũng có thể đang tái tổ hợp với nhau. Trong một đám đông dày đặc, một người có thể bị lây nhiễm đồng thời bởi 2 chủng SARS-CoV-2 khác biệt, hoặc bị tái nhiễm một chủng mới của virus này khi tàn tích của chủng virus cũ vẫn còn tồn tại trong cơ thể họ.

SARS-CoV-2 cũng có thể lây nhiễm sang các động vật sống gần gũi với chúng ta và do đó các sự kiện tái tổ hợp kết hợp SARS-CoV-2 với gen động vật cũng có thể xuất hiện làm đột biến virus theo những con đường nguy hiểm mà chúng ta chưa biết.

Quá trình đột biến xảy ra trên virus với tốc độ khủng khiếp

Do tỷ lệ lưu hành cao của virus SARS-CoV-2 tại thời điểm này, có thể nó đã trải qua tất cả 6 kiểu đột biến kể trên. Thoạt nhìn, không có đột biến nào trong số những đột biến này một mình có thể tạo ra biến chủng mới của SARS-CoV-2 hiện tại. Tuy nhiên, nếu chúng được thực hiện trên quay mô lớn, bạn sẽ thấy sự xuất hiện của các biến chủng mới là hoàn toàn có thể hiểu được.

Hãy thử tính riêng với dạng đột biến thay thế. Trung bình, bộ gen của virus SARS-CoV-2 dài tới 30.000 nucleotide. Giả sử cứ 10.000 nucleotide sẽ có một nucleotide bị thay thế tỷ lệ chỉ là 0,01%. Mặc dù chúng ta không thể nói chắc chắn có bao nhiêu cá thể virus đang sinh sôi tại bất kỳ thời điểm nào bên trong một người bị nhiễm COVID-19, nhưng chúng ta biết rằng mỗi mililit dịch mũi có chứa khoảng 10 ^ 8 (một trăm triệu) đến 10 ^ 9 (một tỷ) hạt virus.

Tính ra, chỉ riêng trong một giọt chấy nhầy mũi đã có 3 tỷ đột biến thay thế xảy ra trên virus SARS-CoV-2. Tiếp tục, bạn phải nhân số đó với lượng virus có trong cơ thể người, sau đó nhân tiếp với số lượng bệnh nhân COVID-19 trong một quần thể nhất định.

Những phép nhân này tiết lộ virus luôn tạo ra những đột biến ở tốc độ không thể tưởng tượng. Chúng tương tự như những gì mà vi khuẩn đã làm được để liên tục kháng các loại kháng sinh của con người tạo ra.

Trong trường hợp với SARS-CoV-2, chúng ta cũng đang hi vọng các biến chủng của virus này sẽ không thể kháng lại được vắc-xin mà con người đang sử dụng. Bởi nếu chúng có thể, đó sẽ là một thảm họa mới, một đại dịch mới sinh ra từ giữa một đại dịch.