Microbiome – hệ vi sinh vật sống trong các môi trường từ ruột người, đất, sông hồ đến thực phẩm – đóng vai trò quan trọng trong sức khỏe, môi trường và công nghệ sinh học. Để khám phá thế giới vi sinh vật, giải trình tự gen 16S rRNA từ lâu đã là một công cụ mạnh mẽ, tiết kiệm chi phí và phổ biến. Tuy nhiên, làm thế nào để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của kỹ thuật này? Câu trả lời nằm ở Qscore, một phương pháp đột phá giúp tối ưu hóa chiến lược giải trình tự gen 16S rRNA, mang lại kết quả đáng tin cậy hơn bao giờ hết.
MỤC LỤC BÀI VIẾT
Qscore là gì?
Qscore là một phương pháp đánh giá toàn diện hiệu suất của giải trình tự amplicon gen 16S rRNA, được phát triển bởi nhóm nghiên cứu từ Đại học Thanh Đảo, Trung Quốc. Thay vì chỉ tập trung vào một khía cạnh, Qscore xem xét đồng thời nhiều yếu tố:
- Hiệu suất khuếch đại: Mức độ thành công khi sử dụng các cặp mồi (primers) để khuếch đại các vùng biến thiên (V1-V9) của gen 16S rRNA.
- Độ nhạy ánh xạ: Tỷ lệ trình tự được ánh xạ chính xác lên cơ sở dữ liệu tham chiếu (như RefSeq, Greengenes, Silva).
- Độ chính xác phân loại taxon: Khả năng xác định chính xác vi khuẩn ở cấp độ loài, thay vì chỉ dừng lại ở cấp chi như trước đây.
- Loại và chiều dài trình tự: So sánh giữa giải trình tự đơn (single-end) và đôi (paired-end), với các chiều dài khác nhau (100 bp, 150 bp, 250 bp, 300 bp).
- Chi phí giải trình tự: Đảm bảo cân bằng giữa hiệu suất và tính kinh tế.
Điểm đặc biệt của Qscore là khả năng tùy chỉnh chiến lược giải trình tự cho từng môi trường sinh thái cụ thể, từ ruột người, da, đất, đến nước sông. Công cụ này đã được triển khai thành một dịch vụ trực tuyến tại http://qscore.single-cell.cn, giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng chọn cấu hình tối ưu dựa trên nhu cầu của họ.
Tại sao Qscore quan trọng?
Gen 16S rRNA là một “dấu vân tay” để nhận diện vi khuẩn trong các cộng đồng phức tạp. Tuy nhiên, hiệu suất của kỹ thuật này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: vùng khuếch đại, cơ sở dữ liệu tham chiếu, và chiến lược giải trình tự. Trước đây, người ta cho rằng gen 16S rRNA chỉ đạt độ phân giải ở cấp chi, nhưng nghiên cứu đã chứng minh rằng với cấu hình phù hợp, nó có thể đạt độ chính xác tới cấp loài, gần tương đương với giải trình tự metagenome shotgun (WGS) nhưng với chi phí thấp hơn nhiều.
Qscore đã được thử nghiệm trên 239,905 bộ gen từ 35,889 loài vi khuẩn và Archaea, với hơn 511,460 bản sao gen 16S rRNA. Kết quả cho thấy:
- Bộ mồi 515F/806R đạt hiệu suất khuếch đại cao nhất (81,72%).
- Cơ sở dữ liệu RefSeq vượt trội về độ nhạy (81,57% với vùng V4, PE 150 bp) và độ chính xác (73,40% với vùng V1-V3, PE 300 bp) so với Greengenes và Silva.
- V5-V6 PE 150 bp là cấu hình tối ưu toàn cầu, đạt Qscore 84,64%, cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.
Ứng dụng Qscore trong thực tế
Microbiome ở mỗi môi trường có cấu trúc khác nhau. Ví dụ, Firmicutes và Bacteroidetes chiếm phần lớn trong ruột người, trong khi Proteobacteria và Acidobacteria phổ biến ở sông. Qscore giúp tùy chỉnh chiến lược giải trình tự cho từng môi trường, đảm bảo độ chính xác tối đa. Dưới đây là một số cấu hình tối ưu được đề xuất:
- Ruột người: V4 SE 150 bp (tiết kiệm chi phí) hoặc V3 SE 300 bp (tối ưu hiệu suất).
- Da: V5 SE 150 bp (tiết kiệm chi phí) hoặc V5 SE 300 bp (tối ưu hiệu suất).
- Sông: V3 SE 150 bp (tiết kiệm chi phí) hoặc V3 SE 300 bp (tối ưu hiệu suất).
- Đất: V4 SE 150 bp (tiết kiệm chi phí) hoặc V4-V5 PE 250 bp (tối ưu hiệu suất).
Những cấu hình này được rút ra từ phân tích 157,390 mẫu microbiome từ 16 môi trường trong Microbiome Search Engine (MSE). Qscore không chỉ giúp tối ưu hóa nghiên cứu mới mà còn nâng cao giá trị của hơn 500,000 mẫu dữ liệu 16S hiện có từ các dự án lớn như Human Microbiome Project (HMP) hay Earth Microbiome Project (EMP).
So sánh với metagenome shotgun
Nghiên cứu đã so sánh hiệu suất của amplicon 16S với WGS bằng các chỉ số CAMI (completeness, purity, L1 norm error, weighted UniFrac error). Kết quả cho thấy các cấu hình được Qscore đề xuất (như V4 SE 150 bp hoặc V3 SE 300 bp) tạo ra hồ sơ phân loại gần tương đương với WGS ở cấp loài, nhưng với chi phí thấp hơn đáng kể. Điều này đặc biệt quan trọng khi tái sử dụng dữ liệu từ các mẫu khó thu thập lại, như trầm tích biển sâu hoặc mẫu theo dõi dài hạn.
Dịch vụ trực tuyến Qscore: Công cụ cho tương lai
Dịch vụ trực tuyến Qscore cho phép người dùng nhập thông tin về taxon mục tiêu hoặc đơn vị phân loại hoạt động (OTU) để nhận được chiến lược giải trình tự tối ưu. Người dùng có thể tùy chỉnh trọng số của các yếu tố (như độ nhạy, độ chính xác, chi phí) để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Ví dụ, nếu bạn đang nghiên cứu microbiome trong thực phẩm, Qscore có thể đề xuất V5-V6 PE 150 bp để đạt hiệu quả cao nhất.
Kết luận
Qscore không chỉ là một công cụ đánh giá, mà còn là cầu nối giữa dữ liệu microbiome quá khứ và tương lai. Bằng cách tối ưu hóa giải trình tự gen 16S rRNA, Qscore giúp các nhà khoa học đạt được độ chính xác cao với chi phí thấp, mở ra cơ hội nghiên cứu sâu hơn về vi sinh vật trong các lĩnh vực từ y học, nông nghiệp, đến bảo vệ môi trường.
Nguồn dữ liệu: Kết quả nghiên cứu có sẵn tại NCBI SRA (BioProject PRJNA916347).
Tài liệu tham khảo: Microbiology Spectrum, May/June 2023, DOI: 10.1128/spectrum.00563-23.
LOBI Vietnam là công ty tiên phong trong lĩnh vực Đọc trình tự gen thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing) và Phân tích Tin sinh học. Liên hệ hotline/Zalo 092.510.8899 để biết thêm chi tiết.
