MỤC LỤC BÀI VIẾT
Tin sinh học và vai trò của nó trong nghiên cứu sự tiến hóa và tiềm năng probiotic của vi khuẩn lactic
Vi khuẩn lactic (LAB) là một nhóm vi khuẩn có lợi với nhiều ứng dụng đã được chứng minh trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men thực phẩm và mang lại nhiều lợi ích sức khỏe khi được tiêu thụ với số lượng hợp lý, do đó được WHO định nghĩa là probiotic. Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ giải trình tự gene, dữ liệu trình tự bộ gene của LAB ngày càng trở nên phổ biến. Trong bối cảnh đó, tin sinh học đã trở thành một lĩnh vực then chốt, đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác thông tin giá trị từ các dữ liệu trình tự gene thô này. Bài viết này sẽ trình bày vai trò của các công cụ và cơ sở dữ liệu tin sinh học trong việc làm sáng tỏ sự thích nghi và tiến hóa của LAB, cũng như các phương pháp tin sinh học được sử dụng trong quá trình sàng lọc tiềm năng probiotic của chúng. Hơn nữa, chúng ta cũng sẽ thảo luận về những ưu điểm, thách thức và hạn chế của việc ứng dụng tin sinh học cho mục đích này.
LAB: Những cư dân đa dạng và lợi ích tiềm năng
LAB là một nhóm vi khuẩn gram dương, catalase âm tính và không sinh bào tử. Các chi LAB đã được biết đến bao gồm Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus và một vài loài thuộc chi Streptococcus. Chúng được tìm thấy trong nhiều môi trường sống khác nhau, bao gồm đường tiêu hóa (GIT) của người và động vật, đường tiết niệu sinh dục, các sản phẩm từ sữa và thực phẩm lên men. Với trạng thái những lợi ích sức khỏe đã được chứng minh, LAB đã thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng nghiên cứu.
Tin sinh học: Chìa khóa giải mã bộ gen LAB
Sự phát triển của tin sinh học đã mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu LAB. So sánh bộ gene (comparative genomics) và phân tích hệ gene phân loài (phylogenomics) đã trở thành những phương pháp tiếp cận trung tâm để nghiên cứu sự thích nghi và tiến hóa của LAB. Quy trình chung cho so sánh bộ gen LAB bao gồm từ việc phân lập DNA từ nuôi cấy thuần khiết đến các phân tích sâu hơn sau khi lắp ráp và chú thích bộ gene. Các quá trình lắp ráp và chú thích bộ gen là trung tâm, vì hầu hết các phân tích tiếp theo đều yêu cầu các kết quả này.
Hành trình tiến hóa và thích nghi của LAB
LAB có khả năng xâm chiếm và cư trú trong nhiều môi trường phức tạp và đa dạng. Mặc dù có mối quan hệ phát sinh loài gần gũi, khả năng chiếm thích nghi với nhiều môi trường khác nhau mang lại cho LAB khả năng di truyền đáng kể trong quá trình tiến hóa của chúng. Phân tích bộ gene pan-core là một mục phổ biến trong so sánh bộ gen LAB, bao gồm việc xác định pan genome (toàn bộ tập hợp gen của một loài), core genome (tập hợp gen có mặt ở tất cả các chủng), accessory genes (gen được chia sẻ bởi hai hoặc nhiều chủng) và unique genes (gen chỉ có mặt ở các chủng cụ thể). Các nhóm gene này đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích sâu hơn về LAB. Trong số các chi chính của LAB, đặc điểm bộ gen của các thành viên thuộc chi Lactobacillus rất khác nhau. Kích thước bộ gene dao động từ 1,23 Mb-4,91 Mb, với tỷ lệ GC từ 31,93%-52,07%. Gần đây, chi Lactobacillus đã được tái phân loại thành 25 chi, trong đó có 23 chi mới. So sánh và phân tích bộ gene đã cho phép phân loại Lactobacillus thành ba loại lối sống khác nhau dựa vào sự trao đổi các gen chức năng, cũng như sự thay đổi kích thước bộ gen.
Sàng lọc tiềm năng probiotic bằng tin sinh học
Tin sinh học đóng một vai trò quan trọng trong việc sàng lọc ban đầu tiềm năng probiotic của các chủng LAB. Các tiêu chí chính để đánh giá tiềm năng probiotic bao gồm khả năng sống sót và xâm chiếm GIT, hoạt tính kháng khuẩn và khả năng bám dính vào tế bào biểu mô. Một số ví dụ cụ thể như sau:
- Khả năng kháng acid và muối mật: Các công cụ chú thích bộ gene như RAST, Prokka và NCBI-PGAP rất hữu ích trong việc sàng lọc ban đầu các gen có thể liên quan đến khả năng kháng acid, muối mật. Gene bsh (bile salt hydrolase) đã được xác định là một trong những gene đặc trưng cho môi trường ruột và thường được nghiên cứu trong các chủng LAB có tiềm năng probiotic. Các gene khác liên quan đến khả năng kháng acid bao gồm F0F1-ATP synthase và Na+/H+ antiporter.
- Khả năng bám dính: Các cụm gene mã hóa pili (spaCBA) ở Lactobacillus rhamnosus GG và gene cwaA ở Lactobacillus plantarum NL42 là những ví dụ về các gene liên quan đến khả năng bám dính đã được xác định bằng phân tích bộ gene.
- Sản xuất các hợp chất có lợi: Một số chủng LAB có khả năng tổng hợp vitamin, đặc biệt là vitamin nhóm B. Phân tích bộ gene của Lactobacillus reuteri JCM1112T đã xác định một cụm gene độc đáo liên quan đến quá trình sinh tổng hợp reuterin và cobalamin (vitamin B12). Các gene liên quan đến sinh tổng hợp folate và riboflavin (vitamin B2) cũng đã được tìm thấy ở Lactobacillus fermentum CECT 5716 và một số chủng Lactobacillus plantarum. Bacteriocin, các peptide kháng khuẩn được sản xuất bởi LAB, cũng là một đặc tính probiotic quan trọng. Các công cụ như BAGEL được sử dụng để xác định các gen mã hóa bacteriocin trong bộ gen LAB.
- Điều hòa miễn dịch: Các chủng Lactobacillus plantarum được biết đến với đặc tính điều hòa miễn dịch. Phân tích bộ gene và so sánh đã chỉ ra rằng Lactobacillus plantarum PS128 chứa số lượng lớn gene lipoteichoic acid, một phân tử quan trọng trong điều chỉnh phản ứng miễn dịch của vật chủ.
- Tiềm năng chống khối u và chống ung thư: Một số chủng LAB đã cho thấy hoạt tính tiềm năng chống lại khối u và ung thư. Mặc dù các đánh giá thường được thực hiện bằng thực nghiệm, phân tích bộ gene có thể giúp đánh giá chất lượng và độ an toàn của các chủng này. Các gene liên quan đến sản xuất hydrogen peroxide như pyruvate oxidase, NADH oxidase và α-glycerophosphate oxidase, đã được xác định trong bộ gene của Lactobacillus salivarius Ren, một chủng có hoạt tính chống ung thư.
Đánh giá chất lượng và an toàn của probiotic LAB
Bên cạnh các đặc tính probiotic, an toàn là một yếu tố quan trọng khác cần được đánh giá ở các chủng LAB tiềm năng. Phân tích toàn bộ bộ gene là một kỹ thuật hứa hẹn cho việc đánh giá an toàn bằng việc xác định sự hiện diện hoặc vắng mặt của các yếu tố như hệ thống CRISPR-Cas, hệ thống hạn chế và sửa đổi (RM), các yếu tố độc lực (VF), gene kháng kháng sinh (AMR) và các yếu tố di truyền di động (MGEs) là rất quan trọng. Các cơ sở dữ liệu và công cụ tin sinh học như REBASE, CRISPRFinder, ARDB, CARD và ResFinder thường được sử dụng cho mục đích này.
Hạn chế và thách thức của tin sinh học
Mặc dù tin sinh học là một công cụ mạnh mẽ, nó vẫn có những hạn chế và thách thức. Hầu hết các quy trình tin sinh học đều yêu cầu sự quen thuộc với môi trường Linux và các ngôn ngữ lập trình như Python và Perl, điều này có thể gây khó khăn cho một số nhà nghiên cứu truyền thống. Ngoài ra, cần có đủ nguồn tài trợ để cung cấp các máy tính có khả năng lưu trữ và bộ nhớ đáp ứng yêu cầu của các phân tích thông lượng cao. Chất lượng của việc lắp ráp bộ gene cũng rất quan trọng, vì các bộ gene chưa hoàn chỉnh hoặc bị phân mảnh cao có thể dẫn đến kết quả không chính xác. Cuối cùng, trong các nghiên cứu ứng dụng lâm sàng và công nghiệp, phân tích toàn bộ bộ gene nên được hỗ trợ bởi các thử nghiệm in vitro và in vivo để bổ sung cho các phân tích ban đầu.
Kết luận
Tin sinh học đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu LAB, đặc biệt là trong việc khám phá sự tiến hóa và đánh giá tiềm năng probiotic của chúng. Bằng cách tận dụng các công cụ và cơ sở dữ liệu tin sinh học, các nhà nghiên cứu có thể hiểu sâu hơn về sự thích nghi của LAB với các môi trường khác nhau, xác định các gene và đặc điểm liên quan đến các đặc tính probiotic và đánh giá độ an toàn của các chủng tiềm năng. Mặc dù vẫn còn những thách thức, sự phát triển liên tục của tin sinh học hứa hẹn sẽ mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn nữa về thế giới vi khuẩn lactic và khai thác tối đa tiềm năng của chúng cho sức khỏe con người và ngành công nghiệp thực phẩm.
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.
