Mỗi khi có một đợt bùng phát dịch bệnh lớn, một trong những câu hỏi đầu tiên mà các nhà khoa học và công chúng đặt ra là: "Cái này đến từ đâu?"

Để có thể dự đoán và ngăn chặn những đại dịch như COVID-19 trong tương lai, các nhà nghiên cứu cần tìm ra nguồn gốc của các loại virus gây ra chúng. Đây không phải là một nhiệm vụ tầm thường. Các nguồn gốc của HIV không rõ ràng cho đến 20 năm sau khi nó lan rộng khắp thế giới. Các nhà khoa học vẫn chưa biết nguồn gốc của Ebola, mặc dù nó đã gây ra dịch bệnh định kỳ từ những năm 1970.

Là một chuyên gia về sinh thái virus, Tôi thường được hỏi làm thế nào các nhà khoa học truy tìm nguồn gốc của một loại virus. Trong công việc của mình, tôi đã tìm thấy nhiều loại virus mới và một số mầm bệnh nổi tiếng lây nhiễm cho cây dại mà không gây ra bất kỳ bệnh. Thực vật, động vật hay con người, các phương pháp phần lớn giống nhau. Việc truy tìm nguồn gốc của một loại virus bao gồm sự kết hợp của nghiên cứu thực địa rộng rãi, kiểm tra kỹ lưỡng trong phòng thí nghiệm và một chút may mắn.

Virus nhảy từ vật chủ động vật hoang dã sang người

Nhiều loại vi rút và các tác nhân gây bệnh khác lây nhiễm cho người có nguồn gốc từ động vật. Những bệnh này là động vật, có nghĩa là chúng được gây ra bởi vi rút động vật đã truyền sang người và thích nghi để lây lan qua quần thể người.

Bạn có thể bắt đầu tìm kiếm nguồn gốc vi-rút bằng cách xét nghiệm động vật bị bệnh tại nơi lây nhiễm lần đầu tiên được biết đến ở người, nhưng vật chủ hoang dã thường không biểu hiện bất kỳ triệu chứng nào. Vi rút và vật chủ của chúng thích nghi với nhau theo thời gian, vì vậy vi rút thường không gây ra các triệu chứng bệnh rõ ràng cho đến khi chúng nhảy sang một loài vật chủ mới. Các nhà nghiên cứu không thể chỉ tìm kiếm những con vật bị bệnh.

Một vấn đề khác là con người và động vật thực phẩm của họ không cố định. Nơi mà các nhà nghiên cứu tìm thấy người bị nhiễm đầu tiên không nhất thiết phải gần với nơi mà virus xuất hiện đầu tiên. Một thách thức trong việc truy tìm nguồn gốc vi rút là cần phải thu thập và kiểm tra một loạt các mẫu người và động vật. LLuis Alvarez / DigitalVision qua Getty Images

Trong trường hợp của COVID-19, dơi là nơi đầu tiên rõ ràng để xem xét. Chúng là vật chủ được biết đến của nhiều coronavirus và là nguồn có thể gây ra các bệnh lây truyền từ động vật khác như SARS và MERS.

Đối với SARS-CoV-2, vi rút gây ra COVID-19, các nhà khoa học họ hàng gần nhất đã tìm thấy cho đến nay là BatCoV RaTG13. Loại virus này là một phần của tập hợp các coronavirus dơi được phát hiện vào năm 2011 và 2012 bởi các nhà virus học từ Viện virus học Vũ Hán. Các nhà virus học đang tìm kiếm coronavirus liên quan đến SARS ở dơi sau khi Đại dịch SARS-CoV-1 năm 2003. They collected fecal samples and throat swabs from bats at a site in Yunnan Province about 932 miles (1,500 kilometers) from the institute's lab in Wuhan, where they brought samples back for further study.

Để kiểm tra xem coronavirus dơi có thể lây lan sang người hay không, các nhà nghiên cứu đã lây nhiễm các tế bào thận của khỉ và tế bào có nguồn gốc từ khối u của con người với các mẫu Vân Nam. Họ phát hiện ra rằng một số loại virus từ bộ sưu tập này có thể nhân lên trong các tế bào của con người, có nghĩa là chúng có thể được truyền trực tiếp từ dơi sang người mà không cần vật chủ trung gian. Tuy nhiên, dơi và con người không tiếp xúc trực tiếp thường xuyên, vì vậy vẫn có khả năng là vật chủ trung gian.

Tìm người thân gần nhất

Bước tiếp theo là xác định mức độ liên quan chặt chẽ giữa virus động vật hoang dã bị nghi ngờ có liên quan đến loài lây nhiễm sang người. Các nhà khoa học thực hiện điều này bằng cách tìm ra trình tự di truyền của virus, liên quan đến việc xác định thứ tự của các khối xây dựng cơ bản, hoặc nucleotide, tạo nên bộ gen. Hai trình tự di truyền càng chia sẻ nhiều nucleotide thì chúng càng có quan hệ chặt chẽ với nhau.

Giải trình tự gen của coronavirus dơi RaTG13 cho thấy nó đã kết thúc Giống nhau 96% sang SARS-CoV-2. Mức độ tương đồng này có nghĩa là RaTG13 là họ hàng khá gần với SARS-CoV-2, xác nhận rằng SARS-CoV-2 có thể bắt nguồn từ loài dơi, nhưng vẫn còn quá xa để có thể là tổ tiên trực tiếp. Có khả năng có một vật chủ khác đã bắt vi rút từ dơi và truyền sang người. Để tìm ra vật chủ trung gian giữa dơi và người, các nhà nghiên cứu phải giăng một tấm lưới lớn và lấy mẫu nhiều loài động vật khác nhau. Ảnh AP / Silvia Izquierdo

Vì một số trường hợp nhiễm COVID-19 sớm nhất được tìm thấy ở những người có liên quan đến chợ động vật hoang dã ở Vũ Hán, nên có suy đoán rằng động vật hoang dã từ chợ này là vật chủ trung gian giữa dơi và người. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu không bao giờ tìm thấy coronavirus ở động vật từ chợ.

Tương tự như vậy, khi một coronavirus liên quan được xác định trong tê tê bị tịch thu trong một chiến dịch chống buôn lậu ở miền nam Trung Quốc, nhiều người đi đến kết luận rằng SARS-CoV-2 đã nhảy từ dơi thành tê tê sang người. Các vi rút tê tê Tuy nhiên, được phát hiện chỉ giống 91% với SARS-CoV-2, khiến nó không có khả năng là tổ tiên trực tiếp của vi rút ở người.

Để xác định chính xác nguồn gốc của SARS-CoV-2, cần phải thu thập thêm rất nhiều mẫu hoang dã. Đây là một nhiệm vụ khó khăn - việc lấy mẫu dơi tốn nhiều thời gian và yêu cầu các biện pháp phòng ngừa nghiêm ngặt chống lại sự lây nhiễm ngẫu nhiên. Vì coronavirus liên quan đến SARS được tìm thấy trong dơi khắp châu Á, bao gồm cả Thái Lan và Nhật Bản, việc tìm kiếm một cây kim rất nhỏ là một đống cỏ khô rất lớn.

Tạo cây gia đình cho SARS-CoV-2

Để giải đáp thắc mắc về nguồn gốc và sự di chuyển của virus, các nhà khoa học không chỉ phải tìm ra những mảnh còn thiếu mà còn phải tìm ra cách chúng ăn khớp với nhau như thế nào. Điều này đòi hỏi phải thu thập các mẫu vi rút từ các bệnh nhiễm trùng ở người và so sánh các chuỗi di truyền đó với nhau và với các vi rút có nguồn gốc động vật khác.

Để xác định mối quan hệ của các mẫu virus này với nhau như thế nào, các nhà nghiên cứu sử dụng các công cụ máy tính để xây dựng cây họ của virus, hoặc phát sinh loài. Các nhà nghiên cứu so sánh trình tự gen của mỗi mẫu virus và xây dựng các mối quan hệ bằng cách sắp xếp và xếp hạng các điểm tương đồng và khác biệt về gen.

Tổ tiên trực tiếp của virus, có chung điểm giống nhau về gen lớn nhất, có thể được coi là cha mẹ của nó. Các biến thể chia sẻ cùng chuỗi cha mẹ đó nhưng có đủ thay đổi để làm cho chúng khác biệt với nhau giống như anh chị em ruột. Trong trường hợp của SARS-CoV-2, Biến thể Nam Phi, B.1.351 và biến thể Vương quốc Anh, B.1.1.7, là anh chị em ruột.

Việc xây dựng cây gia đình rất phức tạp bởi thực tế là các thông số phân tích khác nhau có thể cho kết quả khác nhau: Cùng một bộ trình tự di truyền có thể tạo ra hai cây họ rất khác nhau. Trình tự nucleotide của sáu loại virus hư cấu được hiển thị ở trên cùng. Dưới đây là hai cây họ của những loại virus này được tạo ra bằng hai chương trình khác nhau. Cây bên trái chỉ sử dụng phần trăm nhận dạng, trong khi cây bên phải cũng xem xét liệu hai chuỗi có chia sẻ các ký tự giống nhau hay không. Marilyn Rossinck, CC BY-NĐ

Đối với SARS-CoV-2, phân tích phát sinh loài tỏ ra đặc biệt khó khăn. Tuy nhiên hàng chục nghìn chuỗi SARS-CoV-2 hiện có sẵn, chúng không khác nhau đủ để tạo thành một bức tranh rõ ràng về cách chúng liên quan đến nhau.

Cuộc tranh luận hiện nay: Máy chủ hoang dã hay phòng thí nghiệm tràn?

Có thể SARS-CoV-2 đã được phát hành từ một phòng thí nghiệm nghiên cứu? Mặc du bằng chứng hiện tại ngụ ý rằng đây không phải là trường hợp, 18 nhà virus học nổi tiếng gần đây đã gợi ý rằng câu hỏi này nên điều tra thêm.

Mặc dù đã có suy đoán về việc SARS-CoV-2 được chế tạo trong phòng thí nghiệm, nhưng khả năng này rất khó xảy ra. Khi so sánh trình tự di truyền của RaTG13 hoang dã với SARS-CoV-2, sự khác biệt được lan truyền ngẫu nhiên trên bộ gen. Trong một vi rút được thiết kế, sẽ có các khối thay đổi rõ ràng đại diện cho trình tự giới thiệu từ một nguồn virus khác.

[Nhận câu chuyện khoa học, sức khỏe và công nghệ tốt nhất của chúng tôi. Đăng ký nhận bản tin khoa học của Hội thoại.]

Có một trình tự duy nhất trong bộ gen SARS-CoV-2 mã hóa một phần của protein đột biến dường như đóng một vai trò quan trọng trong việc lây nhiễm sang người. Thật thú vị, một trình tự tương tự được tìm thấy trong coronavirus MERS mà gây ra bệnh tương tự như COVID-19.

Mặc dù không rõ bằng cách nào SARS-CoV-2 có được những chuỗi này, nhưng sự tiến hóa của virus cho thấy chúng hình thành từ các quá trình tự nhiên. Vi rút tích lũy những thay đổi hoặc bằng cách trao đổi gen với các virus khác và vật chủ của chúng, hoặc do những sai lầm ngẫu nhiên trong quá trình sao chép. Vi rút có được sự thay đổi di truyền mang lại cho chúng lợi thế sinh sản thường sẽ tiếp tục chuyển nó thông qua nhân rộng. Việc MERS và SARS-CoV-2 chia sẻ một trình tự tương tự trong phần này của bộ gen cho thấy rằng nó tiến hóa tự nhiên ở cả hai và lây lan vì nó giúp chúng lây nhiễm sang các tế bào của con người.

Đi đâu từ đây?

Tìm ra nguồn gốc của SARS-CoV-2 có thể cung cấp cho chúng ta manh mối để hiểu và dự đoán các đại dịch trong tương lai, nhưng chúng ta có thể không bao giờ biết chính xác nó đến từ đâu. Bất kể SARS-CoV-2 đã nhảy vào con người bằng cách nào, nó đang ở đây và có lẽ nó sẽ ở lại đây. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu cần tiếp tục theo dõi sự lây lan của nó và tiêm chủng càng nhiều người càng tốt.

Giới thiệu về Tác giả