Vi khuẩn Clostridium botulinum sản sinh ra một loại độc tố thần kinh mạnh gọi là độc tố botulinum, gây ra bệnh ngộ độc botulinum nghiêm trọng. Độc tố này tấn công hệ thần kinh, khiến cơ thể không thể kiểm soát cơ bắp và gây khó khăn trong mỗi hơi thở.

Nếu không được điều trị kịp thời, ngộ độc botulinum có thể gây tử vong. Tuy nhiên, con người đã tìm cách thuần hóa loại vi khuẩn nguy hiểm này để thành một "nhà máy" sản xuất các sản phẩm y tế, quân sự và mỹ phẩm như botox.

Trải qua hơn 90 năm phát triển liên tục trong phòng thí nghiệm và các thiết bị công nghiệp, chủng vi khuẩn này dần dần có được những đặc điểm riêng biệt được hình thành bởi sự chọn lọc của con người, cả có chủ ý và vô tình.

Một nghiên cứu gần đây của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ đã truy tìm quá trình tiến hóa di truyền của chủng vi khuẩn Clostridium botulinum Army Hall A (AHA), một chủng được quân đội Mỹ phát triển vào năm 1942.

Để xây dựng bản đồ chi tiết về các thay đổi di truyền mà các chủng vi khuẩn tích lũy được theo thời gian, các nhà nghiên cứu đã kết hợp giải trình tự gen với các thí nghiệm theo dõi đột biến.

Bằng cách so sánh bộ gen của AHA với bộ gen của tổ tiên chung gần nhất với dòng dõi hoang dã gần gũi nhất BrDuraA, ATCC19397 và X58540, họ đã xác định được 46 đột biến điểm, 44 đoạn chèn hoặc xóa nhỏ, một sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể và sự mất mát của hơn 80 gen.

Nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ DNA của hơn 1.000 chủng C. botulinum để tìm ra những họ hàng hoang dã gần gũi nhất còn sống của chủng AHA đã được thuần hóa.

Để theo dõi tỷ lệ đột biến mà không bị ảnh hưởng bởi chọn lọc tự nhiên, nhóm nghiên cứu đã nuôi cấy 10 dòng AHA riêng biệt trong 10 thế hệ và 20 dòng chủng hoang dã. Việc giải trình tự DNA từ các dòng này ở các thời điểm trung gian và cuối cùng cho phép họ đo lường chính xác tỷ lệ và loại lỗi di truyền xảy ra trong quá trình phân chia tế bào.

Họ phát hiện ra rằng chủng vi khuẩn này đã phát triển một đột biến trong gen mutS làm rút ngắn protein sửa chữa DNA xuống chỉ còn 9% chiều dài bình thường, hoàn toàn vô hiệu hóa khả năng sửa chữa các sai lệch.

Không có khả năng sửa chữa DNA, tỷ lệ đột biến điểm và chèn/xóa của chủng vi khuẩn này tăng vọt. Mô hình thống kê cho thấy đột biến mutS nằm trong số khoảng 10 thay đổi di truyền đầu tiên mà chủng vi khuẩn này mắc phải trong phòng thí nghiệm.

Trong khi các chủng hoang dã tạo ra bào tử chịu nhiệt để tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt, AHA đã mất khả năng này và không thể sống sót nổi dù chỉ 5 phút ở 80°C.

Nó mất đi khả năng phục hồi nhưng đã bù đắp được điều đó trong điều kiện phòng thí nghiệm. Khi được nuôi cấy cùng với họ hàng hoang dã gần nhất của nó, BrDuraA, trong môi trường lỏng, AHA nhanh chóng chiếm hơn 93% thể tích nuôi cấy chỉ sau hai chu kỳ cấy chuyển và hơn 99% vào chu kỳ thứ năm.

Những phát hiện này hé lộ các quá trình tiến hóa cơ bản làm thay đổi bộ gen của vi khuẩn khi con người kiểm soát chúng theo thời gian. Các nhà nghiên cứu tin rằng điều này cung cấp một khuôn khổ tổng quát để hiểu về quá trình thuần hóa và thích nghi trong phòng thí nghiệm ở vi sinh vật.