Tiềm năng khoa học to lớn của ADN trong không khí

Theo Nature, vật liệu di truyền trôi nổi trong không khí đang mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học. Từ việc vẽ nên bức tranh toàn cảnh về sức khỏe hệ sinh thái, phát hiện các loài xâm lấn, cho đến khả năng nhận diện con người, ADN trong không khí đang chứng minh tiềm năng to lớn của mình.

Ryan Kelly, nhà nghiên cứu về ADN môi trường (eADN) tại Đại học Washington (Mỹ), bày tỏ sự kinh ngạc: “Chúng ta hoàn toàn được bao quanh bởi thông tin dưới dạng ADN và ARN”. Chỉ cần bạn gãi đầu, vật liệu tế bào giàu ADN sẽ được giải phóng vào không khí.

Tại đó, chúng hòa lẫn với ADN từ vô số nguồn khác: hơi thở và tế bào da bong tróc của con người, mảnh vụn của lông, phân, phấn hoa, bào tử, cùng các vi sinh vật như virus. Những đoạn ADN này, thường bám vào các hạt bụi, có thể trôi dạt trong không khí vài ngày và di chuyển từ vài mét đến hàng nghìn kilomet.

Giới khoa học từ lâu đã quen với việc thu thập eADN từ nước và đất, nhưng việc xem không khí là một nguồn thông tin di truyền chỉ mới bắt đầu vào đầu những năm 2010.

Năm 2013, hai nhà sinh học Matt Clark và Richard Leggett tại Anh đã thử lấy mẫu không khí trong và ngoài một nhà kính. “Chúng tôi chỉ tự hỏi liệu chúng tôi có thu được bất cứ thứ gì không,” Clark kể lại. “Thực ra, chúng tôi đã có hàng chục đến hàng trăm thứ xuất hiện”.

Tuy nhiên, bước ngoặt thực sự thu hút sự chú ý của giới khoa học là việc phát hiện ra ADN của hổ gần Cambridge (Anh). Các nhà nghiên cứu đã thu thập mẫu không khí tại một sở thú và phát hiện ra rằng họ có thể "ngửi" thấy ADN của hổ cách chuồng 200 mét, cùng với ADN của 25 loài động vật và chim khác. Simon Creer, chuyên gia sinh thái học phân tử tại Đại học Bangor (Anh), nhận định: “ADN động vật trong không khí luôn ở đó, chỉ là chúng ta chưa bao giờ tìm kiếm nó”.

Mở rộng quy mô và ứng dụng thực tiễn

Gần đây, các nhà khoa học đã bắt đầu tận dụng các mạng lưới trạm quan trắc không khí quốc gia để thu thập eADN trên quy mô lớn. Tại Anh, việc phân tích các bộ lọc không khí đã giúp phát hiện 1.100 đơn vị phân loại sinh học, từ động vật có xương sống đến sinh vật đơn bào, bao gồm cả những loài xâm lấn chưa từng được ghi nhận.

Phương pháp này vượt trội hơn hẳn so với quan sát thông thường trong việc tìm kiếm các loài nhỏ bé, vô hình hoặc hoạt động về đêm. Nhóm nghiên cứu gọi đây là “một giải pháp thực tế để theo dõi động lực học của sự sống trên đất liền”.

Tại Thụy Điển, nhà sinh học phân tử Per Stenberg đã phân tích các bộ lọc không khí từ một trạm phát hiện hạt nhân có lịch sử lưu trữ 70 năm. Bằng phương pháp giải trình tự shotgun (bắn phá ADN thành các mảnh nhỏ rồi ghép lại), ông đã thu được kết quả đáng kinh ngạc. “Virus, vi khuẩn, nấm, thực vật, động vật, chim, cá … ký sinh trùng đường ruột của nai sừng tấm,” Stenberg kể lại. “Bất cứ thứ gì ở ngoài kia và có tài liệu tham khảo để đối chiếu, chúng tôi đều có thể thấy - mọi sinh vật đơn lẻ không quá hiếm trong hệ sinh thái”.

Công nghệ này hứa hẹn sẽ liên kết “toàn bộ đa dạng sinh học, toàn bộ thế giới cùng với một xét nghiệm duy nhất thực sự nhanh chóng và thậm chí có thể được thực hiện tại hiện trường và phân tích trên đám mây”, theo lời David Duffy, nhà nghiên cứu tại Đại học Florida (Mỹ).

Ông nhấn mạnh: “Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể nhanh chóng đánh giá môi trường trước, trong và sau khi giảm thiểu, và không chỉ nghĩ rằng chúng ta cải thiện đa dạng sinh học, mà thực sự có một thước đo định lượng.”

Ngoài bảo tồn, eADN không khí còn được ứng dụng trong nông nghiệp để phát hiện mầm bệnh cây trồng trước khi chúng gây hại, hoặc trong quốc phòng để phát hiện vũ khí sinh học.

Andrew Nisbet từ cơ quan Natural England cho biết, trong những lĩnh vực này, “ngay cả một khám phá [đã được xác minh] về một thứ cũng trả lời được câu hỏi của bạn — giống như việc một loài xâm lấn hoặc mầm bệnh đã đến”.

Những thách thức và ranh giới đạo đức

Dù đầy hứa hẹn, việc giải mã eADN không khí vẫn còn nhiều rào cản. Các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu xem ADN phân hủy nhanh như thế nào và di chuyển bao xa.

Erin Hahn, nhà nghiên cứu di truyền học bảo tồn tại Australia, cho biết: “Có vô số biến số xung quanh luồng không khí, phơi nhiễm ánh sáng, khoảng cách với các lối mòn của động vật. Chúng tôi chỉ mới bắt đầu giải quyết chúng để hiểu rõ hơn về cách ADN di chuyển xung quanh.”

Nisbet cũng đặt câu hỏi về tính đại diện của mẫu vật: “Nếu chúng ta đặt ra một máy lấy mẫu, điều đó có cho chúng ta bức tranh về toàn bộ khu bảo tồn thiên nhiên không, hay chúng ta nên đặt ra mười cái? Nếu chúng ta chạy nó trong một ngày, như vậy đã đủ chưa?”

Đáng lo ngại hơn cả là vấn đề quyền riêng tư. Việc thu thập eADN không khí chắc chắn sẽ lẫn cả ADN của con người (được gọi là "sản phẩm phụ hệ gen người"). Phân tích sâu có thể tiết lộ nguồn gốc tổ tiên, các bệnh di truyền, và thậm chí nhận diện cá nhân.

“Nếu việc hít thở đang đưa ADN của bạn ra ngoài không khí, điều đó va chạm như thế nào với cách chúng ta nghĩ về quyền riêng tư?” Kelly đặt vấn đề. Ông đã kêu gọi tạm dừng việc nghiên cứu ADN người từ các mẫu môi trường cho đến khi có các nguyên tắc toàn cầu.

Mặt khác, giới pháp y lại tỏ ra hứng thú. Peter Gill, nhà di truyền học pháp y tại Đại học Oslo (Na Uy), cho biết: “Những người gần đây đã ở trong một tòa nhà, trong vòng một ngày hoặc lâu hơn, bạn chắc chắn có thể thu thập ADN của họ” từ không khí.

Ông nói thêm: “Bạn có thể lấy bụi từ trên bậu cửa, nơi mọi người thường không dọn dẹp. Và sau đó bạn sẽ có một loại hồ sơ lịch sử thu nhỏ về những người đã ở trong đó”.

Điều mà nhiều nhà khoa học lo sợ nhất hiện nay là sự phản ứng dữ dội từ công chúng có thể dẫn đến các lệnh cấm cản trở nghiên cứu. Ông Creer nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tiến bước cẩn trọng, “để nó không làm hỏng thế giới khám phá đa dạng sinh học thực sự thú vị và tiến bộ bằng cách sử dụng ADN môi trường”.