Khoa học vật lý và máy tính giúp phát hiện manh mối về sự tiến hóa của virus cúm

Bệnh cúm là một trong những bệnh truyền nhiễm chủ yếu ở người. Các chủng cúm theo mùa với dòng virus cúm A là nguyên nhân gây ra khoảng nửa triệu ca tử vong mỗi năm. Trong một nỗ lực phối hợp, Tổ chức y tế thế giới (WHO) và các Trung tâm hợp tác đã theo dõi chặt chẽ sự phát triển của các chủng cúm theo mùa H3N2 trong hơn 60 năm. Dựa trên các dữ liệu này, các chủng cúm được lựa chọn để sản xuất vắc-xin mỗi năm hai lần. Do virus cúm là  tác nhân gây bệnh tiến triển nhanh, nên việc lựa chọn loại vắc-xin tối ưu là một vấn đề y tế thách thức toàn cầu.

Trong những năm gần đây, điều đã trở nên rõ ràng đó là tiến triển bệnh cúm là một quá trình phức tạp. Các dòng virus cúm cạnh tranh nhau và cuộc đua là làm thế nào để lây nhiễm  thành công sang người. Chính điều này đã gợi mở cho Marta Luksza thuộc  Khoa sinh học trường đại học Columbia và Michael Lassig thuộc Viện vật lý thuyết, Đại học Cologne đặt ra câu hỏi: Liệu chúng ta có thể dự báo về ai trong số những đối thủ cạnh tranh này sẽ chiến thắng cuộc đua?

Theo Marta Luksza cho biết: "Đây là thách thức đối với một nhà sinh vật học tiến hóa, bởi vì hiện nay chúng ta mới chỉ có thể dự báo định lượng về sự tiến hóa của rất ít các hệ hoang dã". Và đây cũng là một thách thức về mặt tính toán và lý thuyết, trong khi tư duy tiến hóa truyền thống là tái lập quá khứ, giờ đây chúng ta cần phát triển các ý tưởng thế nào để tiến đến tương lai. Điều quan trọng nhất là, các nhà khoa học phải tìm ra bộ phận nào của hệ thống trên thực tế có thể dự đoán được và bộ phận nào là ngẫu nhiên. Trong cách tiếp cận của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ý tưởng từ khoa học vật lý và máy tính.

Hai nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên lý của Darwin, đó là: sự sống sót của loài thích hợp nhất. Nhưng điều gì quyết định một chủng virus cúm thích hợp? Trước tiên họ đã cân nhắc một sự đổi mới, đó là loại virus đó cần phải duy trì một tỷ lệ đột biến cao để thoát khỏiphản ứng miễn dịch của con người. Nhưng họ cũng tính đến một sự bảo tồn, đó là: các đột biến không tổn hại các chức năng thiết yếu của một virus, chẳng hạn như sự gấp cuộn đúng của protein. Thông qua nghiên cứu bộ gen của virus, họ đã họ đã thiết kế ra mộtphương pháp để dự đoán thành công chủng virus nào mang sự kết hợp tối ưu của sự đổi mới và bảo tồn.

Trong khi Łuksza và Lassig tập trung vào bệnh cúm, cách tiếp cận của họ làm nổi bật một liên kết chung giữa tiến hóa với những hậu quả dịch tễ học liên quan đến nhiều tác nhân gây bệnh tiến hóa nhanh. Trong bối cảnh rộng hơn, điều này đụng chạm đến một câu hỏi cơ bản về tiến hóa sinh học có thể dự báo trước. Mặc dù không có câu trả lời chung cho câu hỏi này, nhưng kết quả nghiên cứu đã chỉ ra một phương pháp mới có hệ thống để cải tiến sản xuất vắc-xin. Công trình nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Nature ngày 26/2/2014.