Metagenomics là gì?

Metagenomics là việc giải trình tự và phân tích DNA của các vi sinh vật lấy từ môi trường mà không cần nuôi cấy chúng. Metagenomics còn được biết đến như là “hệ gene cộng đồng” hay “hệ gene môi trường”.

Metagenomics là việc giải trình tự và phân tích DNA của các vi sinh vật lấy từ môi trường mà không cần nuôi cấy chúng. Metagenomics còn được biết đến như là “hệ gene cộng đồng” hay “hệ gene môi trường”.

Hiện nay, chúng ta có rất ít thông tin về đại đa số các vi sinh vật hiện diện trong các môi trường khác nhau trên trái đất, chủ yếu là do chúng ta không thể nuôi cấy chúng trong phòng thí nghiệm – người ta ước lượng được rằng, dưới 1% của tất cả các loài vi khuẩn được nuôi cấy. Trong thời gian qua, chúng ta không nuôi cấy các vi sinh vật được là do thiếu kiến thức về sinh lý học của chúng và các tín hiệu môi trường mà dựa vào đó chúng ta có thể thiết kế môi trường nuôi cấy phù hợp, tuy nhiên các công nghệ nuôi cấy mới bắt đầu giải quyết những vấn đề này (Zengler, Walcher et al., 2005). Tuy nhiên, hầu hết tri thức của chúng ta được thu lượm từ một phần nhỏ vi sinh vật được phân lập. Nó giống như, nếu người ngoài hành tinh hạ cánh ở lục địa Antarctica và thực hiện nghiên cứu về chim cánh cụt, và coi như là đại diện đầy đủ cho toàn bộ sinh vật trên trái đất.

Metagenomics cho phép chúng ta nghiên cứu các vi sinh vật bằng cách giải mã thông tin di truyền của chúng từ DNA mà được trích rút trực tiếp từ các cộng đồng của các vi sinh vật môi trường, do đó từng bước vượt qua sự cần thiết của việc phân lập hay nuôi cấy.  Môn học này được xây dựng trên những thành công của các cuộc nghiên cứu 16S rRNA các mẫu môi trường nuôi cấy độc lập (Olsen, Lane et al., 1986). Nó cung cấp những hiểu biết về lịch sử tiến hóa cũng như các khả năng chưa biết từ trước của cộng đồng vi sinh vật chuyên sống trong môi trường. Đó là, các câu hỏi sau có thể được giải đáp “vi sinh vật nào ở đó?”, “vi sinh vật đang làm gì?” và “vi sinh vật hoạt động như thế nào?”. Kết quả phong phú của gene và cấu trúc phân tử được giải mã từ các vi sinh vật ko nuôi cấy được có tiềm năng to lớn trong sự phát triển chất xúc tác sinh học (biocatalysts) mới cho ứng dụng công nghiệp và dược phẩm.

Một số mục tiêu cụ thể của dự án metagenomics có thể gồm:

• Xác định tính đa dạng phân loài sử dụng 16S rRNA và các mẫu gene đa dạng và cây phân loài của vi sinh vật có thể được sử dụng để theo dõi và dự đoán các điều kiện và biến đổi môi trường.
• Xác định gene hay operon cho các ứng viên enzyme cần thiết (như cellulases, chitinases, lipases, thuốc kháng sinh, các sản phẩm tự nhiên khác); những enzyme này có thể được ứng dụng trong công nghiệp hoặc dược phẩm.
• Xác định biến thể hoặc đa dạng trong gen cho các enzyme quan trọng, giúp xác định hoặc thiết kế tối ưu các chất xúc tác.
• Xác định các cơ chế bài tiết, điều hòa và truyền tín hiệu của các mẫu hoặc các gene quan tâm. Biết được cách các cơ chế này được tổ chức và điều hòa giúp nâng cao các hoạt tính enzyme.
• Xác định các hệ thống vận chuyển (transporter systems) – chúng ta có thể dự đoán gì về các nguồn thức ăn hoặc các chất mà có thể bắt gặp trong môi trường?
• Xác định vi khuẩn hoặc các trình tự plasmid. Những khả năng ảnh hưởng đến sự đa dạng và cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật.
• Xác định các sự kiện chuyển giao gene muộn tiềm năng. Hiểu biết về tính mềm dẻo của genome có thể cho chúng ta một ý tưởng về các áp lực chọn lọc gene và sự tiến hóa trong môi trường sống.
• Xác định gene/operons cho việc thu thập dinh dưỡng, tự kích thích (nhóm cảm nhận), trung tâm trao đổi chất trung gian, … Điều này có thể cung cấp những hiểu biết cho tương tác syntrophic hoặc khám phá nền tảng thành công của vi sinh vật trong môi trường của chúng.
• Xác định con đường trao đổi chất. Sự hiểu biết rõ ràng về con đường trao đổi chất có thể dẫn tới hướng tiếp cận thiết kế môi trường nuôi cấy tăng trưởng cho các loài vi sinh vật chưa thể nuôi cấy được.
• Xác định các gene chiếm ưu thế trong một môi trường nhất định so với những gene khác. Nhận dạng được các gene đặc trưng trong một môi trường có thể giúp ích cho việc phát triển các phương thức để tìm hiểu các quá trình, tương tác và phản ứng của cộng đồng vi sinh vật.

Cuối cùng, dữ liệu và siêu dữ liệu metagenomics có thể được tận dụng để thiết kế các thí nghiệm thông lượng cao và thông lượng thấp, các thí nghiệm này tập trung vào việc xác định vai trò của các gene và các vi sinh vật trong việc thành lập cộng đồng vi sinh vật động.

Lược dịch, TS. Nguyễn Cường

{fcomment}