Ngân hàng gen động vật là nơi lưu giữ vật liệu di truyền của các loài, chủ yếu là tinh trùng, trứng, phôi, mẫu mô và dòng tế bào sống, trong nitơ lỏng ở khoảng âm 196 độ C. Ở nhiệt độ đó, hoạt động sinh hoá gần như dừng hẳn, và tế bào được rã đông đúng cách có thể sống lại sau nhiều thập kỷ. Cái tên "vườn thú đông lạnh" (Frozen Zoo) đến từ bộ sưu tập do Vườn thú San Diego khởi lập năm 1975, một trong những ngân hàng như vậy lâu đời nhất.
Ngân hàng gen có giá trị thật: tinh trùng đông lạnh của những con đực đã chết hàng chục năm vẫn được dùng để thụ tinh, đưa lại gen cho quần thể nhỏ; tế bào đông lạnh từ năm 1980 đã được dùng để nhân bản một con ngựa Przewalski năm 2020. Nhưng nó không phải là "bản sao lưu" của loài. Một ống tế bào không chứa tập tính, không chứa hệ vi sinh, không chứa nơi sống, và biến tế bào thành quần thể khoẻ mạnh vẫn là việc cực khó.
Ngân hàng gen động vật giữ những gì
Vật liệu dễ dùng nhất là tinh trùng: thu được tương đối dễ ở nhiều loài thú, đông lạnh được, và dùng ngay bằng thụ tinh nhân tạo. Phôi đông lạnh giữ được cả gen bố lẫn mẹ, nhưng kỹ thuật thu và cấy phôi chỉ thành thục ở một số nhóm, chủ yếu thú móng guốc gần với gia súc. Trứng rất khó đông lạnh vì tế bào lớn, nhiều nước, dễ hỏng do tinh thể băng.
Dòng tế bào sống, thường là nguyên bào sợi nuôi từ một mẩu da nhỏ, là loại vật liệu đa năng nhất. Chúng có thể nhân lên trong phòng thí nghiệm, đông lạnh thành nhiều ống, dùng cho nghiên cứu di truyền, và về nguyên tắc dùng cho nhân bản hoặc chuyển thành tế bào gốc cảm ứng. Ngoài ra là mẫu mô, máu, ADN tách chiết, dùng cho nghiên cứu di truyền quần thể và định danh loài, không thể "sống lại" nhưng rất có giá trị khoa học.
Mỗi mẫu chỉ có ý nghĩa khi kèm thông tin đầy đủ: cá thể nào, giới tính, nguồn gốc, thuộc quần thể nào, phả hệ ra sao. Một ống tế bào không có hồ sơ chỉ là một ống tế bào.
Đông lạnh một mẫu sống: khó hơn cất vào tủ đá
Nước chiếm phần lớn thể tích tế bào. Khi làm lạnh chậm và không bảo vệ, nước kết tinh thành băng, tinh thể băng đâm thủng màng tế bào; đồng thời phần nước còn lại đậm đặc muối, làm tế bào mất nước và hỏng. Vì vậy mọi quy trình đông lạnh sống đều dùng chất bảo vệ lạnh, như glycerol hay DMSO, thấm vào tế bào để giảm hình thành băng, và kiểm soát tốc độ hạ nhiệt từng độ một.
Mỗi loài, mỗi loại tế bào có quy trình tối ưu riêng. Tinh trùng của bò, ngựa đã có quy trình chuẩn từ lâu; tinh trùng của nhiều loài hoang dã thì phải thử nghiệm từ đầu, và tỷ lệ sống sau rã đông có khi rất thấp. Kỹ thuật thuỷ tinh hoá, làm lạnh cực nhanh với nồng độ chất bảo vệ cao để nước đông thành dạng "thuỷ tinh" không có tinh thể, đã cải thiện đáng kể kết quả với phôi và trứng.
Thu mẫu cũng là thử thách. Với thú hoang, việc lấy tinh trùng thường phải gây mê, làm cùng lúc với khám sức khoẻ hoặc đeo vòng theo dõi. Mẫu da để nuôi cấy tế bào nhỏ hơn hạt gạo, nhưng phải được giữ sạch, mát và đưa về phòng thí nghiệm trong vòng vài ngày. Ở vùng rừng xa, chuỗi vận chuyển này quyết định mẫu sống hay chết.
Những lần ngân hàng gen tạo khác biệt thật
Các ví dụ dưới đây được công bố rộng rãi. Mỗi trường hợp là một bước tiến, nhưng chưa trường hợp nào tự nó cứu được một loài.
| Loài | Chuyện gì đã làm | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Chồn chân đen | Tinh trùng đông lạnh lâu năm dùng thụ tinh nhân tạo; năm 2020 nhân bản cá thể từ tế bào của một con cái đông lạnh từ năm 1988 | Đưa lại gen của cá thể không còn hậu duệ vào quần thể vốn bắt đầu từ rất ít con sáng lập |
| Ngựa Przewalski | Năm 2020 nhân bản từ tế bào đông lạnh năm 1980 của một con đực có gen hiếm | Khôi phục một dòng gen gần như đã mất khỏi quần thể nuôi |
| Gấu trúc lớn, voi, tê giác | Thụ tinh nhân tạo bằng tinh trùng tươi hoặc đông lạnh trong các chương trình nhân nuôi | Giải quyết vấn đề cá thể không giao phối được, hoặc ở hai nơi cách xa |
| Tê giác trắng phương Bắc | Trứng từ hai con cái còn lại được thụ tinh với tinh trùng đông lạnh, tạo phôi giữ trong nitơ lỏng | Hy vọng cuối cùng của phân loài, chờ cấy vào tê giác trắng phương Nam làm mẹ mang thai hộ |
| San hô | Tinh trùng san hô đông lạnh dùng thụ tinh cho trứng ở rạn khác | Hướng mới cho bảo tồn rạn trong bối cảnh nóng lên |
Dòng tê giác trắng phương Bắc cho thấy giới hạn: phôi có thể giữ được, nhưng một quần thể cần nhiều cá thể không cùng huyết thống, và tất cả phôi hiện có chỉ đến từ rất ít cá thể. Ngay cả khi thành công, việc tái lập một quần thể đủ đa dạng là chặng đường rất dài.
Tế bào gốc cảm ứng: hướng đi mới và còn xa
Từ năm 2006, các nhà khoa học biết cách "lập trình lại" tế bào da trưởng thành thành tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPS), có khả năng biệt hoá thành nhiều loại tế bào. Với bảo tồn, điều này mở ra khả năng: từ tế bào da đông lạnh của một con thú đã chết, tạo ra tế bào gốc, rồi biệt hoá thành tinh trùng hoặc trứng. Thí nghiệm như vậy đã thành công ở chuột thí nghiệm.
Với các loài hoang dã, tế bào iPS đã được tạo ra cho một số loài, kể cả tê giác trắng phương Bắc, nhưng việc biến chúng thành giao tử có chức năng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Đây là lý do các nhà khoa học coi việc lưu giữ tế bào sống của càng nhiều loài, càng nhiều cá thể càng tốt là việc đáng làm ngay hôm nay, dù công nghệ để dùng chúng đầy đủ chưa có.
Cách nghĩ này gọi là "cứu vật liệu trước, công nghệ đến sau". Một mẩu da từ con thú chết vì tai nạn, nếu được thu và nuôi cấy đúng cách trong vài ngày, có thể là nguồn gen quý cho hàng chục năm tới; nếu bị bỏ đi, nó mất vĩnh viễn.
Vì sao ngân hàng gen không phải là bản sao lưu của loài
Không lưu được tập tính. Một con vượn sinh ra từ phôi đông lạnh không biết tiếng hót của đàn, không biết đường kiếm ăn. Nhiều tập tính ở thú và chim được học từ bố mẹ và đồng loại, không nằm trong gen.
Không lưu được hệ vi sinh và quan hệ sinh thái. Vi sinh vật đường ruột, ký sinh trùng đồng tiến hoá, mối quan hệ với cây thức ăn đều không có trong ống nitơ lỏng.
Cần mẹ mang thai hộ. Muốn tạo cá thể từ phôi hay nhân bản, phải có con cái cùng loài hoặc loài rất gần để mang thai. Với loài đã mất hẳn hoặc không có loài gần, con đường này đóng lại.
Đa dạng di truyền phụ thuộc số mẫu. Mười ống từ một cá thể vẫn chỉ là một bộ gen. Ngân hàng chỉ giúp được quần thể nếu lưu từ nhiều cá thể đại diện.
Rủi ro kỹ thuật. Mất điện, hết nitơ, hỏng bình chứa có thể huỷ hàng chục năm lưu trữ. Vì vậy các ngân hàng lớn chia mẫu ra nhiều nơi.
Ai giữ ngân hàng và giữ thế nào cho an toàn
Các ngân hàng gen động vật hoang dã lớn trên thế giới thường thuộc vườn thú lớn, viện nghiên cứu hoặc bảo tàng lịch sử tự nhiên. Ngoài bộ sưu tập ở San Diego, còn có các mạng lưới ở châu Âu, Úc và châu Á, một số liên kết với nhau để chia sẻ quy trình và mẫu. Mỗi mẫu được ghi mã, lưu thông tin nguồn gốc, và nhiều nơi chia một mẫu thành nhiều ống đặt ở các bình hoặc các địa điểm khác nhau.
Chi phí duy trì không nằm ở bình chứa mà ở sự liên tục: nitơ lỏng bay hơi dần và phải châm định kỳ, hệ thống báo động phải chạy suốt ngày đêm, cơ sở dữ liệu phải được cập nhật, và cần người hiểu chuyện qua nhiều thế hệ nhân sự. Một ngân hàng gen là cam kết hàng chục năm, không phải dự án vài năm.
Còn có câu hỏi pháp lý: mẫu từ loài nguy cấp vận chuyển qua biên giới cần giấy phép theo CITES và quy định về tiếp cận nguồn gen của nước xuất xứ. Nguyên tắc chung là nguồn gen thuộc về quốc gia nơi loài sinh sống, và lợi ích từ việc sử dụng phải được chia sẻ công bằng.
Ngân hàng gen ở Việt Nam và một khoảng trống cần lấp
Việt Nam có hệ thống ngân hàng gen cho cây trồng, vật nuôi và vi sinh vật phục vụ nông nghiệp, cùng các bộ sưu tập mẫu vật, mẫu mô trong viện nghiên cứu và bảo tàng thiên nhiên. Với động vật hoang dã nguy cấp, việc lưu giữ tế bào sống và giao tử còn hạn chế so với nhu cầu, vì đòi hỏi phòng thí nghiệm nuôi cấy tế bào, nguồn nitơ lỏng ổn định và đội ngũ chuyên môn.
Một cơ hội thường bị bỏ lỡ là các cá thể chết tại trung tâm cứu hộ hoặc bị tịch thu trong các vụ buôn bán. Mẫu mô từ những cá thể này, nếu được thu đúng quy trình, có thể giữ gen của những quần thể mà khoa học chưa từng có mẫu. Xây dựng quy trình thu mẫu chuẩn tại các trung tâm cứu hộ và vườn quốc gia là bước đi ít tốn kém nhưng có giá trị lâu dài.
Với thực vật, câu chuyện có phần khác vì hạt của nhiều loài có thể lưu trong ngân hàng hạt; nhưng như đã nói ở phần cây và nấm nguy cấp, nhiều cây gỗ nhiệt đới có hạt không chịu được sấy khô, phải giữ bằng vườn sưu tập hoặc đông lạnh phôi.
Câu hỏi thường gặp
Tế bào đông lạnh trong nitơ lỏng giữ được bao lâu?
Về lý thuyết là rất lâu, vì ở khoảng âm 196 độ C hoạt động sinh hoá gần như ngừng. Thực tế đã có tinh trùng và tế bào đông lạnh vài chục năm vẫn dùng được. Giới hạn chủ yếu là sự cố kỹ thuật và hư hại khi đông lạnh, rã đông.
Ngân hàng gen có thể hồi sinh loài đã tuyệt chủng không?
Chỉ trong điều kiện rất hẹp: có tế bào sống được lưu đúng cách và có loài rất gần để mang thai hộ. Ngay cả khi đó, một vài cá thể chưa phải là một quần thể. Với các loài mất từ lâu, không có tế bào sống thì không thể dùng cách này.
Vì sao không đông lạnh trứng như đông lạnh tinh trùng?
Trứng là tế bào rất lớn, chứa nhiều nước, nên dễ hình thành tinh thể băng phá huỷ cấu trúc khi đông lạnh. Kỹ thuật thuỷ tinh hoá đã cải thiện nhiều ở người và gia súc, nhưng với hầu hết loài hoang dã vẫn còn khó.
Ngân hàng hạt giống và ngân hàng gen động vật khác nhau thế nào?
Ngân hàng hạt lưu hạt đã sấy khô ở nhiệt độ âm, hạt nảy mầm thành cây là xong. Ngân hàng gen động vật lưu tế bào, giao tử trong nitơ lỏng, và muốn tạo cá thể phải qua thụ tinh nhân tạo, cấy phôi hay nhân bản, phức tạp hơn nhiều.
Nhân bản vô tính có làm giảm đa dạng di truyền không?
Nếu nhân bản nhiều bản sao từ một cá thể thì có. Trong bảo tồn, nhân bản được dùng ngược lại: đưa gen của một cá thể đã mất, không còn hậu duệ, trở lại quần thể để tăng đa dạng di truyền.
Mẫu mô từ động vật chết có dùng được không?
Có thể, nếu thu sớm sau khi chết và bảo quản đúng cách. Mẫu cho nuôi cấy tế bào sống cần được thu trong thời gian ngắn và giữ trong môi trường phù hợp. Mẫu để tách ADN thì dễ hơn, có thể bảo quản trong cồn hoặc đông lạnh.