Giải mã cơ chế bí ẩn tạo ra hoa văn trên cánh bướm

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã tiết lộ một quá trình di truyền bất ngờ hình thành nên những hoa văn phức tạp và đầy màu sắc trên cánh bướm. Nghiên cứu do Luca Livraghi từ Đại học George Washington (GW) và Đại học Cambridge khởi xướng được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Nghiên cứu này đã xác định một phân tử RNA đóng vai trò rất quan trọng trong việc kiểm soát sự lây lan của sắc tố đen trên cánh bướm. Điều này lật đổ quan niệm lâu nay cho rằng protein đóng vai trò tạo ra hoa văn trên cánh bướm.

Làm thế nào loài bướm có thể tạo ra những hoa văn và màu sắc rực rỡ trên đôi cánh của chúng đã mê hoặc chúng ta. Đó là điều mà các nhà sinh vật học cũng bị cuốn hút trong nhiều thế kỷ. Mã di truyền chứa trong các tế bào phát triển cánh bướm quy định sự sắp xếp cụ thể của màu sắc trên các vảy của cánh. Đó có thể coi là những viên gạch cực nhỏ tạo thành các mẫu cánh, tương tự như sự sắp xếp các pixel màu để tạo thành một hình ảnh kỹ thuật số.

Việc bẻ khóa mã di truyền này là điều cơ bản để hiểu cách gien của chúng ta hình thành nên cơ thể của các sinh vật trong đó có cả chúng ta cũng như loài bướm. Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể thao tác mã đó ở loài bướm bằng các công cụ chỉnh sửa gien. Từ đó, họ quan sát tác động lên các đặc điểm có thể nhìn thấy được, chẳng hạn như màu sắc trên cánh.

Vai trò của gien mã hóa protein

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng các gen mã hóa protein rất quan trọng đối với các quá trình này. Những loại gien này tạo ra các protein có thể quyết định thời gian và địa điểm khởi tạo ra một sắc tố cụ thể. Khi nói đến sắc tố đen, các nhà nghiên cứu cho rằng quá trình này sẽ không có gì khác biệt và ban đầu liên quan đến một gen mã hóa protein. Tuy nhiên, nghiên cứu mới lại vẽ ra một bức tranh khác.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một gien tạo ra phân tử RNA, chứ không phải protein, đã kiểm soát nơi tạo ra các sắc tố sẫm màu trong quá trình biến thái của bướm. Sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa bộ gien CRISPR, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng khi ta loại bỏ gien tạo ra phân tử RNA, bướm sẽ mất hoàn toàn vảy sắc tố đen. Điều đó cho thấy mối liên hệ rõ ràng giữa hoạt động của RNA và sự phát triển sắc tố đen.

RNA như một cây cọ vẽ bức tranh tiến hóa

Livraghi, một nhà khoa học sau tiến sĩ tại GW cho biết: “Những gì chúng tôi tìm thấy thật đáng kinh ngạc. Phân tử RNA này ảnh hưởng trực tiếp đến nơi sắc tố đen xuất hiện trên cánh, định hình các kiểu màu cánh của loài bướm theo cách mà chúng tôi không ngờ tới”.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá thêm về cách thức hoạt động của phân tử RNA trong quá trình phát triển cánh. Bằng cách kiểm tra hoạt động của nó, họ đã quan sát thấy mối tương quan hoàn hảo giữa nơi RNA được biểu hiện và nơi hình thành vảy đen.

Arnaud Martin, phó giáo sư sinh học tại GW cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên khi gien này được kích hoạt ở nơi các vảy đen cuối cùng sẽ phát triển trên cánh với độ chính xác tuyệt vời. Nói một cách ví von dựa trên tác động của gien này đối với một số loài, nó thực sự là một cây cọ tiến hóa và là một cây cọ sáng tạo”.

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra RNA mới được phát hiện ở một số loài bướm khác đã rẽ nhánh khác nhau trong lịch sử tiến hóa khoảng 80 triệu năm trước. Họ phát hiện ra rằng ở mỗi loài này, RNA đã tiến hóa để kiểm soát các vị trí mới trong mô hình sắc tố tối.

Riccardo Papa, giáo sư sinh học tại Đại học Puerto Rico – Río Piedras cho biết: “Kết quả ổn định thu được từ các đột biến CRISPR ở một số loài thực sự chứng minh rằng gien RNA này không phải là một đột biến gần đây mà là một cơ chế quan trọng để loài bướm từ xa xưa kiểm soát sự đa dạng của loại cánh”.

Việc đa dạng hoa văn trong cánh bướm rất quan trọng vì giúp chúng ngụy trang và thích nghi với môi trường để có thể tồn tại trước nhiều kẻ thù săn mồi.

Joe Hanly, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ cho biết: “Chúng tôi và những người khác hiện đã xem xét đặc điểm di truyền này ở nhiều loài bướm khác nhau và đáng chú ý là chúng tôi phát hiện ra rằng cùng một loại RNA này được sử dụng lặp đi lặp lại, từ bướm cánh dài, đến bướm vua và bướm sơn nữ”.

Hanly kết luận: “Rõ ràng đây là một gien quan trọng cho sự tiến hóa của các dạng cánh. Tôi tự hỏi liệu còn hiện tượng tương tự nào khác mà các nhà sinh vật học có thể đã bỏ sót vì họ không chú ý đến vật chất tối của bộ gien”.

Vật chất tối trong bộ gien mà Hanly nhắc tới chính là phần gien con người chưa giải mã được hoặc cho là chúng không có tác dụng gì.

Những phát hiện này không chỉ thách thức những giả định lâu nay về điều hòa di truyền mà còn mở ra những con đường mới để nghiên cứu các đặc điểm tiến hóa có thể nhìn thấy ở động vật như thế nào.