Tiến sĩ George Weinstock, Giáo sư và là Trưởng Bộ phận gene vi sinh vật tại Phòng thí nghiệm y học gene Jackson, trò chuyện với Tiến sĩ Tanuja Koppal về sự khác biệt giữa nghiên cứu vi sinh học và nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người. Ông nói về những thách thức lớn đối với hệ vi sinh vật trong cơ thể người (microbiome) và thảo luận về cách thức các nhà quản lý phòng thí nghiệm có thể trang bị cho phòng thí nghiệm của họ và hoàn thiện chuyên môn để đối mặt với những thách thức đó tốt hơn.
Hỏi: Nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người khác vi sinh vật học truyền thống như thế nào thưa ông?
Đáp: Vi sinh vật học quan tâm đến các loài đơn lẻ của một vi sinh vật, ví dụ, nghiên cứu loài vi khuẩn như Salmonella hoặc Escherichia coli. Khi nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người, ta nghiên cứu nhiều loài vi sinh vật khác nhau cùng một lúc. Nó liên quan đến việc nghiên cứu một cộng đồng vi sinh vật tổng thể. Việc này không dễ dàng như nghiên cứu một loài đơn lẻ khi ta có thể cách ly, làm sạch và cấy các tế bào. Nhiều loài được tìm thấy trong một hệ vi sinh vật trong cơ thể người có thể chưa bao giờ được phát triển nuôi cấy. Vi sinh vật học truyền thống không có các nhánh như vi sinh học môi trường hoặc vi sinh vật sinh thái học khi ta nghiên cứu cộng đồng các vi sinh vật, nhưng lĩnh vực này hiện nay được nhấn mạnh và mở rộng nhờ nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người.
Hỏi: Các phòng thí nghiệm về vi sinh học và nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người khác nhau về phương thức hoạt động và thiết lập như thế nào?
Đáp: Có nhiều vi sinh vật trong số các vi sinh vật được tìm thấy trong một cộng đồng chưa bao giờ được nuôi cấy. Do đó, các phòng thí nghiệm hệ vi sinh vật trong cơ thể người thường sử dụng các phương pháp nuôi cấy độc lập. Phương pháp quan trọng nhất trong các phương pháp đó là xác định trình tự DNA. Trong một nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người, người ta thực hiện chuẩn bị axit nucleic để cô lập các DNA từ toàn bộ mẫu, có thể là mẫu nước bọt, nước mũi, hoặc phân. Việc xác định trình tự không được thực hiện trên DNA đơn lẻ tách ra từ các loài khác nhau được tìm thấy trong mẫu. Tiếp theo, thực hiện phân tích tin sinh học trên trình tự đã thu được từ hỗn hợp để cố gắng tìm ra những sinh vật có thể có. Vì vậy, ta thu thập danh sách của tất cả các sinh vật khác nhau có trong hỗn hợp mà không cần cố gắng nuôi cấy từng loại riêng biệt. Trong vi sinh học, ta thường lọc và nuôi cấy các loài, và cố gắng xác định chúng một cách riêng biệt. Trong nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người, ta hiếm khi làm điều này. Thay vào đó, ta dựa vào việc xác định trình tự DNA và các công cụ tin sinh học liên quan để chuyển đổi hỗn hợp các chuỗi DNA thành danh sách các sinh vật có thể có.
Hỏi: Những loại vi sinh vật nào thường được nghiên cứu?
Đáp: Các vi sinh vật chiếm ưu thế trong cơ thể con người là vi khuẩn, chủ yếu nằm trong đường ruột. Ngoài ra còn có các loại nấm và vi sinh vật nhân chuẩn được tìm thấy tại nhiều điểm khác nhau trên cơ thể. Ví dụ, nấm có nhiều trong miệng và da hơn trong ruột. Hầu hết những người khỏe mạnh cũng mang virus mà không biểu hiện bất cứ dấu hiệu nào của bệnh hoặc nhiễm trùng, do đó, virus cũng được coi là một phần của hệ vi sinh vật trong cơ thể người. Có nhiều dạng xác định trình tự DNA khác nhau cần được thực hiện để xác định tất cả các loại vi sinh vật khác nhau. Đối với vi khuẩn, ta xác định trình tự gen RNA ribosome 16S. Tương tự đối với nấm và sinh vật nhân chuẩn, ta xác định trình tự gen ribosome 18S hoặc vùng ITS (internal transcribed spacer). Virus không có RNA ribosome, vì vậy người ta phải thực hiện kỹ thuật xác định trình tự đoạn nhỏ để xem xét toàn bộ việc chuẩn bị axit nucleic của mẫu và kiểm tra tất cả các trình tự để xem virus nào trong số chúng là những virus gốc. Virus có thể có cả DNA hoặc RNA, vì vậy ngoài việc chuẩn bị DNA, ta phải chuẩn bị RNA, và sau đó chuyển đổi các RNA thành cDNA để xác định được trình tự. Do đó, để có được một cái nhìn toàn diện về hệ vi sinh vật trong cơ thể người, người ta phải tiến hành nhiều loại xác định trình tự khác nhau- trình tự mục tiêu là 16S, 18S, hoặc vùng ITS; thực hiện kỹ thuật xác định trình tự đoạn nhỏ; trình tự RNA và nhiều hơn nữa.
Hỏi: Phòng thí nghiệm vi sinh học truyền thống có thể bắt đầu hoàn thiện chuyên môn trong nghiên cứu gene và tin sinh học như thế nào?
Đáp: Có thể lựa chọn thuê ngoài một số hạng mục công việc từ các công ty có chuyên môn để thực hiện. Tùy thuộc vào loại mẫu và mức độ phải giám sát quá trình, ta có thể gửi các mẫu hoặc chuẩn bị DNA từ những mẫu đó để gửi đến các phòng thí nghiệm bên ngoài.
Hỏi: Một số thách thức lớn trong việc nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người là gì thưa ông?
Đáp: Việc tạo dữ liệu sử dụng trình tự DNA khá đơn giản. Các phần đưa tới sự biến thiên và thiên vị trong các kết quả thường liên quan đến cách xử lý mẫu ban đầu. Trong vi sinh học, có một số dung sai liên quan đến việc xử lý mẫu, thông thường, ta chỉ muốn biết một loài nào đó có tồn tại trong mẫu hay không.
Trong nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người, ta muốn biết các loại sinh vật hiện diện trong cộng đồng vi khuẩn cùng với sự đa dạng của chúng. Vì công việc này mang tính định lượng, việc xử lý mẫu trở nên rất quan trọng. Do một số sinh vật khỏe hơn hẳn so với một số khác, toàn bộ cấu trúc của cộng đồng có thể bị ảnh hưởng trong quá trình xử lý. Một số mẫu, chẳng hạn như mẫu phân, nước bọt, hoặc nước mũi, có thể được thu thập và đông lạnh ngay lập tức, nhưng trong một số tình huống không thể làm như vậy, việc bảo quản và xử lý có thể ảnh hưởng đến cấu trúc hệ vi sinh vật, và do đó, ảnh hưởng đến kết quả. Xử lý mẫu luôn luôn là một thách thức lớn bởi vì ta đang xem xét cấu trúc cộng đồng và muốn bảo toàn tương quan hóa học lượng pháp của chúng. Tại đầu còn lại của quá trình, một khi ta có một danh sách các sinh vật hiện diện trong cộng đồng và tính đa dạng tương đối của chúng, việc so sánh các cộng đồng khác nhau qua các mẫu cũng trở thành một thách thức. Các phương pháp thống kê cần thiết để rút ra kết luận rõ ràng trở nên phức tạp và nâng cao hơn. Phân tích phiên mã từ các dữ liệu microbiome phức tạp trở nên rất khó khăn.
Hỏi: Ông đang tham gia các công việc nào liên quan đến vi sinh vật?
Đáp: Hai điều chúng tôi quan tâm nhất đó là: so sánh các hệ vi sinh vật của những nhóm người khác nhau – người khỏe mạnh so với người có một bệnh cụ thể, người có tuổi so với người trẻ tuổi, hoặc phụ nữ mang thai so với phụ nữ không mang thai, và những người khác – để xem xét những thay đổi trong hệ vi sinh vật trong cơ thể người ở các mô khác nhau. Một khi chúng tôi xác định được sự khác biệt trong các hệ vi sinh vật, khi đó chúng tôi sẽ cố gắng xác định các loài có thay đổi không và sự đa dạng của chúng tăng lên hay giảm xuống.
Nếu tìm thấy một số sinh vật mà chưa bao giờ được nuôi cấy, thì chúng tôi sẽ thử nuôi cấy chúng. Ý tưởng này nhằm xác định các cơ chế của bệnh thông qua việc hiểu rõ loài cụ thể nào đã thay đổi trong hệ vi sinh vật và tiếp đó tìm hiểu những thay đổi đó đã góp phần vào căn bệnh như thế nào. Chúng tôi nghiên cứu rất nhiều bệnh khác nhau và làm việc với các bác sĩ và bệnh viện để cung cấp cho chúng tôi các mẫu bệnh phẩm, và họ hợp tác với chúng tôi để nghiên cứu vai trò cơ chế của hệ vi sinh vật trong các căn bệnh.
Một lĩnh vực khác mà chúng tôi đang nghiên cứu đó là hướng tới việc cải thiện chẩn đoán bệnh truyền nhiễm. Đôi khi các phòng thí nghiệm chẩn đoán ở bệnh viện chỉ xác định tìm kiếm tác nhân gây bệnh phổ biến và không thể xác định được sinh vật ít phổ biến mà có thể chịu trách nhiệm cho việc lây nhiễm. Điều này đặc biệt đúng đối với những bệnh nhân bị ức chế suy giảm miễn dịch, vì họ có thể bị lây nhiễm từ các tác nhân mà không thường lây nhiễm sang người khỏe mạnh. Chúng tôi muốn làm phân tích hệ vi sinh vật của tất cả những bệnh nhân đó để tìm ra những vi sinh vật nào trong đó. Chúng tôi đang làm việc để tạo ra những phương pháp chung chẩn đoán tác nhân gây bệnh nhanh hơn, rẻ hơn, và có thể thực hiện với thông lượng cao hơn.
Hỏi: Các nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người sẽ chỉ ảnh hưởng tới khoa học đời sống và các ứng dụng y tế thôi đúng không thưa ông?
Đáp: Nghiên cứu hệ vi sinh vật trong cơ thể người chắc chắn đang diễn ra ở khắp mọi nơi. Trong nông nghiệp, các hệ vi sinh vật trong động vật có thể ảnh hưởng đến sức khỏe động vật và sản xuất nông nghiệp. Cây cũng có hệ vi sinh vật riêng, chúng có một hệ vi sinh vật thú vị xung quanh rễ của chúng, giống như một hệ thống tiêu hóa của con người ở bên ngoài. Đó là nơi các chất dinh dưỡng được hấp thụ và chất thải được thải ra, và hệ vi sinh vật tương tác với đất cũng như với cây. Các vi sinh vật trong môi trường đã tồn tại lâu hơn nhiều so với thực vật và động vật, và chúng đã có sự ảnh hưởng lớn đối với địa chất và các quá trình diễn ra trên trái đất. Có một dự án hệ vi sinh vật Trái Đất nghiên cứu các hệ vi sinh vật trong các môi trường sống khác nhau. Vì vậy, nghiên cứu hệ vi sinh vật là một lĩnh vực rất lớn vượt ngoài lĩnh vực sức khỏe con người. Xu hướng thiết lập các trung tâm hệ vi sinh vật trong các trường đại học sẽ đóng vai trò lớn hơn một cơ sở vật chất cốt lõi. Các trung tâm hệ vi sinh vật của trường đại học này kết nối các giảng viên đang tham gia vào nhiều loại hình nghiên cứu hệ vi sinh vật. Ở đó có nguồn dồi dào cho bất cứ ai hướng đến nghiên cứu hệ vi sinh vật để thấy được quá trình thực hiện.
Theo VinaLab
