Ruột của chúng ta là nơi trú ngụ của vô số vi khuẩn, giúp chúng ta tiêu hóa thức ăn. Nhưng chính xác thì vi sinh vật làm gì bên trong cơ thể? Những enzyme nào chúng sản xuất, và khi nào? Và làm thế nào để vi khuẩn chuyển hóa các loại thực phẩm tăng cường sức khỏe giúp chúng ta tránh bệnh tật?
Để có được câu trả lời cho những câu hỏi như vậy, các nhà nghiên cứu tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hệ thống Sinh học tại ETH Zurich ở Basel đã biến đổi vi khuẩn để chúng hoạt động như bộ ghi dữ liệu cho thông tin về hoạt động của gen. Cùng với các nhà khoa học từ Bệnh viện Đại học Bern và Đại học Bern, họ hiện đã thử nghiệm những vi khuẩn này trên chuột.
>> Tham khảo: Bắt chước sự sống: Bước đột phá từ vật liệu vô sinh.
Đây là một bước quan trọng hướng tới việc sử dụng vi khuẩn cảm biến trong y học trong tương lai cho các ứng dụng như chẩn đoán suy dinh dưỡng và tìm hiểu chế độ ăn nào tốt cho một cá nhân.
Hệ thống miễn dịch trở thành bộ ghi dữ liệu
Chức năng ghi dữ liệu được phát triển trong vài năm qua bởi các nhà nghiên cứu do Randall Platt, Giáo sư Kỹ thuật Sinh học tại ETH Zurich đứng đầu. Để làm điều này, họ đã sử dụng cơ chế CRISPR-Cas, một loại hệ thống miễn dịch có tự nhiên ở nhiều loài vi khuẩn.
Nếu vi khuẩn bị vi-rút tấn công, chúng có thể kết hợp các đoạn DNA hoặc RNA của vi-rút vào một phần trong bộ gen của chính chúng được gọi là mảng CRISPR. Điều này cho phép vi khuẩn “ghi nhớ” các loại vi-rút mà chúng đã tiếp xúc, cho phép chúng chống lại cuộc tấn công của vi-rút trong tương lai với tốc độ nhanh hơn.
Để sử dụng cơ chế này như một bộ ghi dữ liệu, các nhà nghiên cứu không quan tâm đến các đoạn DNA của những kẻ xâm nhập vi-rút, mà tập trung vào một thứ khác: cơ chế này có thể được khai thác sao cho vi khuẩn kết hợp các đoạn RNA thông tin (mRNA) của chính chúng vào mảng CRISPR.
Phân tử mRNA là bản thiết kế mà các tế bào sử dụng để sản xuất protein. Như vậy, các đoạn mã mRNA có thể tiết lộ gen nào đang được sử dụng để xây dựng các protein nhằm thực hiện các chức năng của tế bào.
Để làm cho phương pháp này có hiệu quả, các nhà khoa học đã đưa mảng CRISPR của loài vi khuẩn Fusicatenibacter saccharivorans vào một chủng vi khuẩn đường ruột Escherichia coli, được coi là an toàn ở người và có sẵn dưới dạng lợi khuẩn.
>> Tham khảo: Những khám phá mới về vật liệu pin mặt trời đầy hứa hẹn nhờ kính hiển vi mới.
Quá trình chuyển giao bao gồm bản thiết kế của một loại enzym gọi là enzym phiên mã ngược, enzym này có khả năng phiên mã RNA thành DNA. Enzyme này cũng phiên mã thông tin trong mRNA thành dạng DNA, cùng với các protein liên quan đến CRISPR đi kèm là cần thiết để kết hợp đoạn DNA vào mảng CRISPR.
Lấy thông tin mà không làm phiền cơ thể
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu từ Bệnh viện Đại học Bern và Đại học Bern, do Andrew Macpherson đứng đầu, đã tiêm những vi khuẩn đường ruột đã biến đổi này cho chuột trong phòng thí nghiệm. Họ đã thu thập các mẫu phân từ động vật và phân lập DNA của vi khuẩn, sau đó họ phân tích bằng cách sử dụng trình tự DNA thông lượng cao. Với một đánh giá tin sinh học tiếp theo, được thực hiện và đánh giá với sự cộng tác, họ có thể xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ và tái tạo lại thông tin di truyền của các đoạn mã mRNA. Điều này cho phép các nhà khoa học xác định bằng phương pháp không xâm lấn tần suất vi khuẩn đường ruột tạo ra một phân tử mARN nhất định trong thời gian chúng ở trong cơ thể và do đó, gen nào đang hoạt động.
Andrew Macpherson, Giáo sư và Giám đốc Khoa Tiêu hóa tại Bệnh viện Đại học Bern cho biết: “Phương pháp mới này cho phép chúng tôi thu thập thông tin trực tiếp từ ruột mà không làm xáo trộn các chức năng của ruột. Như vậy, phương pháp này có những ưu điểm lớn so với nội soi, phương pháp này có thể gây khó chịu cho bệnh nhân và luôn gây rối loạn chức năng đường ruột, vì ruột cần phải rỗng để kiểm tra.
>> Tham khảo: Bản đồ đa dạng thực vật thế giới.
Xác định tình trạng dinh dưỡng
Macpherson nói: “Vi khuẩn rất giỏi trong việc đăng ký các điều kiện môi trường và thích nghi quá trình trao đổi chất của chúng với các hoàn cảnh mới, chẳng hạn như thay đổi chế độ ăn uống. Trong các thí nghiệm với những con chuột được cho ăn các loại thức ăn khác nhau, các nhà nghiên cứu đã có thể chỉ ra cách vi khuẩn điều chỉnh quá trình trao đổi chất của chúng với nguồn cung cấp chất dinh dưỡng tương ứng. Một báo cáo về những phát hiện đã được công bố trong số mới nhất của tạp chí Khoa học.
Các nhà nghiên cứu muốn tiếp tục phát triển phương pháp này để một ngày nào đó họ có thể nghiên cứu bệnh nhân để xem chế độ ăn uống ảnh hưởng đến hệ sinh thái đường ruột và điều này ảnh hưởng đến sức khỏe như thế nào. Trong tương lai, họ hy vọng có thể sử dụng phương pháp này để xác định tình trạng ăn uống của trẻ em hoặc người lớn. Được trang bị thông tin này, các bác sĩ sẽ có thể chẩn đoán suy dinh dưỡng hoặc quyết định xem bệnh nhân có cần bổ sung dinh dưỡng hay không.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu có thể nhận ra các phản ứng viêm trong ruột. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn cảm biến cho những con chuột bị viêm ruột cũng như những con chuột khỏe mạnh. Bằng cách này, họ có thể xác định hồ sơ mRNA cụ thể của vi khuẩn đường ruột chuyển sang chế độ viêm.
Phân biệt các loại vi khuẩn khác nhau
Nghiên cứu hiện tại được công bố trên tạp chí Khoa học bao gồm một bước phát triển khoa học cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt hai chủng vi khuẩn với nhau dựa trên “mã vạch” di truyền riêng lẻ. Trong tương lai, điều này sẽ cho phép nghiên cứu chức năng của đột biến gen ở vi khuẩn trên động vật thí nghiệm. Điều này sẽ cho phép các nhà khoa học so sánh cấu hình mRNA của các vi khuẩn khác nhau, chẳng hạn như bình thường so với vi khuẩn đột biến. Nhờ bộ ghi dữ liệu phân tử, lần đầu tiên có thể xác định cấu hình này, vì chúng đi qua ruột không chỉ khi vi khuẩn đến phân, do đó thông tin cho thấy điều gì đã xảy ra khi vi khuẩn vẫn còn sống trong phân. ruột.
Một con đường khả thi khác là phát triển hơn nữa hệ thống để phân biệt cấu hình RNA của vi khuẩn trong ruột non và ruột già. Ngoài ra, chức năng ghi dữ liệu có thể được tích hợp vào các loại vi khuẩn khác. Điều này sẽ mở ra cánh cửa cho các ứng dụng trong giám sát môi trường. Ví dụ, một phân tích về vi khuẩn đất từ một cánh đồng trồng trọt sẽ xác định liệu thuốc diệt cỏ đã được sử dụng hay chưa.
>> Tham khảo: Các nhà khoa học phát triển phương pháp xanh hơn, hiệu quả hơn để sản xuất kháng sinh thế hệ tiếp theo.
Ứng dụng an toàn có thể
Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho chính phương pháp này và cho các cấu hình RNA đặc trưng là dấu hiệu của một số phân tử dinh dưỡng và các chỉ số về sức khỏe đường ruột.
Trước khi vi khuẩn cảm biến có thể được sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm – kể cả ở người bệnh – các nhà khoa học vẫn phải làm rõ nhiều câu hỏi về an toàn và pháp lý, vì vi khuẩn đã được biến đổi gen. Platt giải thích: “Về nguyên tắc, có nhiều cách sử dụng các vi sinh vật sống được biến đổi gen làm tác nhân chẩn đoán hoặc điều trị trong y học, với điều kiện là phải đáp ứng một số điều kiện nhất định. Ví dụ, có thể sửa đổi vi khuẩn cảm biến để chúng cần một số chất dinh dưỡng nhất định và do đó chỉ có thể tồn tại bên trong ruột của bệnh nhân. Ngay sau khi những vi khuẩn đặc biệt này rời khỏi ruột, chúng sẽ chết. Tích hợp các cơ chế an toàn phù hợp là bước tiếp theo để áp dụng phương pháp này trong y học.
Công việc nghiên cứu này được hỗ trợ bởi ERC Grants được trao cho Randall Platt và Andrew Macpherson, và bởi một khoản trợ cấp từ Trung tâm Nghiên cứu Sức khỏe Trẻ em của Botnar. Các nghiên cứu liên quan đến chuột được thực hiện tại Cơ sở chuột sạch tại Đại học Bern, được hỗ trợ bởi quỹ nghiên cứu Genaxen.
