Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Vật liệu di truyền tồn tại trong không khí có thể được sử dụng để phác họa bức tranh về sức khỏe hệ sinh thái, theo dõi các loài xâm lấn, và thậm chí nhận diện con người.
  Ryan Kelly kinh ngạc trước những gì đang lơ lửng vô hình trong không khí. " Điều đó thật sự vượt ngoài sức tưởng tượng", Kelly, nhà nghiên cứu DNA môi trường (eDNA) tại University of Washington — chia sẻ. "Chúng ta hoàn toàn được bao quanh bởi vô số thông tin tồn tại dưới dạng DNA và RNA mọi lúc."

Các nhà khoa học từ lâu đã tách chiết DNA từ nước và đất, nhưng họ chỉ mới bắt đầu xem không khí như một nguồn dữ liệu di truyền đầy tiềm năng. Trong hơn một thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã học cách đo DNA trong không khí, khảo sát mức độ hiện diện của nó và sử dụng dữ liệu này để dựng nên bức tranh về thành phần cũng như sức khỏe của một hệ sinh thái. DNA trong không khí hiện được ứng dụng để theo dõi các loài sinh vật cụ thể, thử nghiệm trong phát hiện sinh vật xâm lấn hoặc các cuộc tấn công bằng tác nhân sinh học, đồng thời được đánh giá như một công cụ mới nhằm xác định hiệu quả của các chương trình bảo tồn thiên nhiên.

Công nghệ này hứa hẹn sẽ kết nối “toàn bộ đa dạng sinh học và cả thế giới chỉ bằng một phép phân tích duy nhất, có tốc độ cực nhanh, thậm chí có thể thực hiện ngay tại hiện trường và phân tích dữ liệu trên nền tảng đám mây, David Duffy, một nhà nghiên cứu chuyên về bộ gen bệnh học động vật hoang dã tại Đại học Florida ở St Augustine cho biết.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm rõ, chẳng hạn như DNA tồn tại trong không khí bao lâu trước khi phân hủy, hay nó có thể phát tán xa đến mức nào. Một phần vật liệu di truyền thu được từ không khí cũng có nguồn gốc từ con người, khiến nhiều nhà khoa học lo ngại rằng khi ứng dụng kỹ thuật này trong nghiên cứu bảo tồn, nó có thể vô tình tiết lộ thông tin về sắc tộc, các rối loạn di truyền của một cá nhân, thậm chí có khả năng được sử dụng để nhận diện con người.

Những đám mây DNA

Chỉ cần bạn gãi nhẹ lên đầu, các vật chất tế bào giàu DNA đã có thể phát tán vào không khí. Tại đó, chúng hòa lẫn với DNA từ vô số nguồn khác nhau: hơi thở và tế bào bong tróc từ cơ thể bạn và những người xung quanh, các mảnh tóc, lông vũ, chất thải, hạt phấn, bào tử, cùng các vi sinh vật như virus và vi tảo. Những phân tử DNA này , có thể bao gồm các đoạn dài tới hàng chục nghìn cặp base, có thể lơ lửng trong không khí suốt vài ngày, thường bám vào các hạt bụi li ti. Chúng có khả năng di chuyển từ vài mét cho tới hàng nghìn kilomet trước khi bị phân hủy hoặc lắng xuống môi trường.

Tuy nhiên, vào đầu những năm 2010, nhiều nhà sinh thái học bắt đầu đặt câu hỏi liệu không khí có chứa những dấu vết DNA hữu ích khác ngoài các cấu trúc phát tán theo gió này hay không. Năm 2013, hai nhà sinh học Matt Clark thuộc Natural History Museum và Richard Leggett thuộc Earlham Institute đã tiến hành thu mẫu không khí cả bên trong lẫn bên ngoài một nhà kính để kiểm tra giả thuyết này.

“Ban đầu chúng tôi chỉ tự hỏi liệu có thu được thứ gì hay không,” Matt Clark chia sẻ. “Nhưng thực tế, chúng tôi phát hiện ra hàng chục, thậm chí hàng trăm tín hiệu sinh học khác nhau xuất hiện trong các mẫu không khí.”

Trong cùng thời gian đó, tại Texas Tech University, nhà sinh thái học Matthew Barnes đã phân tích các mẫu không khí bằng những kỹ thuật vốn được phát triển để thu thập eDNA trong nước. Ông phát hiện các mẫu này chứa lượng lớn DNA từ lá cây, hoa và cả nhiều loại phấn hoa vốn không được thiết kế để phát tán theo gió. Từ đó, Barnes nhận ra tiềm năng to lớn của việc sử dụng không khí để nghiên cứu toàn bộ quần xã thực vật trong một hệ sinh thái [1].

Tuy nhiên, chính việc phát hiện DNA của hổ gần Cambridge mới thực sự khiến cộng đồng khoa học chú ý đến tiềm năng của DNA trong không khí. Elizabeth Clare thuộc York University và Joanne Littlefair thuộc University College London muốn kiểm tra xem liệu DNA động vật có thể được phát hiện trong không khí hay không. Họ đã thu thập các mẫu không khí tại một sở thú nhỏ ở vùng Cambridgeshire, với lập luận rằng nguồn gốc của bất kỳ DNA nào tìm thấy cũng có thể được xác định rõ ràng, bởi các loài động vật ngoại lai đều được nuôi nhốt trong khuôn viên công viên này.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chiết xuất DNA từ các mẫu, khuếch đại và giải trình tự nó. Kết quả cho thấy họ có thể phát hiện dấu vết DNA của hổ ở khoảng cách tới 200 mét tính từ khu nuôi nhốt, cùng với nhiều loài động vật khác trong sở thú. Không chỉ vậy, họ còn xác định được DNA từ nguồn thức ăn của các loài này, bao gồm gà, ngựa và heo cũng như từ các động vật hoang dã xung quanh như nhím, dơi và sóc. Tổng cộng, các mẫu không khí chứa DNA của 25 loài chim và thú, trong đó có 17 loài đang được nuôi tại sở thú Copenhagen Zoo [2]. Một nghiên cứu khác được công bố cùng thời điểm tại khu vực gần Copenhagen Zoo cũng ghi nhận những kết quả tương tự [3].

“DNA động vật trong không khí vốn luôn hiện diện ở đó, chỉ là trước đây chúng ta chưa từng tìm kiếm nó mà thôi,” Simon Creer, nhà sinh thái học phân tử tại Bangor University nhận định.
  Tuy nhiên, chính một nhà vật lý học mới là người tìm ra cách mở rộng quy mô của phương pháp này. James Allerton thuộc National Physical Laboratory đã đề xuất để Elizabeth Clare phân tích các mẫu không khí được thu thập từ mạng lưới giám sát kim loại nặng của Vương quốc Anh, hệ thống gồm 25 máy bơm không khí đặt tại các thành phố, vùng nông thôn và khu công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu đã phân tích mẫu không khí từ 15 địa điểm thuộc mạng lưới này và vào năm ngoái đã công bố [4] nghiên cứu mà họ gọi là cuộc khảo sát đa dạng sinh học trên cạn quy mô quốc gia đầu tiên trên thế giới sử dụng eDNA trong không khí. Kết quả cho thấy sự hiện diện của nhiều loài động vật phổ biến tại Vương quốc Anh, đồng thời phát hiện cả các loài thú nuôi ngoại lai như vẹt, cũng như một loài cá xâm lấn là cá mè bạc Hypophthalmichthys molitrix, vốn trước đó chưa từng được ghi nhận trong khu vực nghiên cứu. Từ các loài động vật có xương sống cho đến những sinh vật nguyên sinh đơn bào, nhóm nghiên cứu đã phát hiện tổng cộng khoảng 1.100 đơn vị phân loại sinh học (taxa) khác nhau, cho thấy tiềm năng to lớn của eDNA trong không khí đối với việc giám sát đa dạng sinh học ở quy mô rộng lớn.

Để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp này, nhóm  nghiên cứu đã so sánh kết quả thu được với dữ liệu từ các cơ sở dữ liệu quy mô lớn như iNaturalist, nơi cộng đồng các nhà khoa học ghi nhận những sinh vật họ quan sát được trong tự nhiên. Kết quả cho thấy iNaturalist đã bỏ sót khoảng một nửa số loài mà nhóm nghiên cứu phát hiện bằng eDNA trong không khí. Ngược lại, phương pháp eDNA cũng không phản ánh khoảng 43% các quan sát được ghi nhận trên iNaturalist. Theo Joanne Littlefair, khoa học cộng đồng thường ghi nhận nhiều hơn các loài chim và những sinh vật nổi bật, dễ quan sát, sống gần khu vực con người cư trú. Trong khi đó, eDNA trong không khí lại có khả năng phát hiện hiệu quả hơn các sinh vật nhỏ bé, khó nhìn thấy hoặc hoạt động về đêm, bao gồm nấm, địa y, động vật không xương sống và nhiều loài thực vật ngoài cây gỗ. “Đây mới thực sự là những mắt xích cốt lõi duy trì chức năng của hệ sinh thái,” bà nhận định.

Nhóm nghiên cứu cho rằng phương pháp này là “một giải pháp khả thi để giám sát động lực của sự sống trên cạn”. Hiện nay, họ đang hỗ trợ nhiều quốc gia có hệ thống quan trắc tương tự triển khai công nghệ eDNA trong không khí nhằm theo dõi đa dạng sinh học ở quy mô quốc gia.

Kho lưu trữ DNA trong không khí

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu con người có thể tận dụng một mạng lưới liên tục bơm khối lượng không khí khổng lồ qua các bộ lọc? đồng thời lưu giữ dữ liệu kéo dài suốt nhiều thập kỷ? Năm 2015, nhà sinh học phân tử Per Stenberg thuộc Umeå University biết đến đúng một hệ thống như vậy: một “kho lưu trữ” đa dạng sinh học kéo dài suốt 70 năm, được lưu giữ dưới dạng các dấu vết DNA mắc lại trên hàng chục nghìn màng lọc tại Swedish Defence Research Agency.

Ông nghe về hệ thống này trong một hội thảo giới thiệu mạng lưới phát hiện hạt nhân phóng xạ của Thụy Điển, được xây dựng từ cuối những năm 1950 nhằm phát hiện các vụ thử vũ khí hạt nhân. Mạng lưới gồm 25 trạm quan trắc, mỗi trạm hút hàng trăm mét khối không khí mỗi giờ, sau đó các hạt vật chất trong không khí được giữ lại trên các màng lọc sợi thủy tinh để lưu trữ lâu dài.

Per Stenberg bắt đầu phân tích các màng lọc thu được từ một trạm quan trắc nằm phía bắc Vòng Bắc Cực. Trong khi nhóm của Joanne Littlefair sử dụng phương pháp DNA metabarcoding, tức tìm kiếm các đoạn DNA đánh dấu ngắn để nhận diện từng loài sinh vật, thì Stenberg lại áp dụng kỹ thuật giải trình tự shotgun sequencing. Với phương pháp này, DNA được cắt thành vô số đoạn cực nhỏ, sau đó được giải trình tự và đối chiếu với các hệ gen tham chiếu đã biết bằng các công cụ tin sinh học. So với metabarcoding, phương pháp shotgun sequencing đòi hỏi nhiều thời gian, năng lượng tính toán và các kỹ thuật thống kê phức tạp hơn. Tuy nhiên, đổi lại, nó cung cấp lượng thông tin chi tiết và toàn diện hơn đáng kể về thành phần di truyền trong mẫu.

Phải mất bốn năm, Stenberg cùng cộng sự của mình là Mats Forsman, giám đốc nghiên cứu của Swedish Defence Research Agency, mới thu được những kết quả đầu tiên [5]. “Virus, vi khuẩn, nấm, thực vật, động vật, chim, cá, v.v. thậm chí cả các loài ký sinh trùng đường ruột của nai sừng tấm,” Per Stenberg kể lại. “Nói cách khác, bất cứ sinh vật nào hiện diện trong môi trường và có hệ gen tham chiếu để đối chiếu, chúng tôi đều có thể phát hiện được, gần như mọi sinh vật không quá hiếm trong hệ sinh thái.”

Theo Stenberg, những kết quả này cho thấy phương pháp phân tích eDNA trong không khí có độ tin cậy rất cao. “Khi đó, chúng tôi thực sự choáng ngợp và nhận ra rằng đây là một hướng nghiên cứu cần được khám phá sâu hơn nữa.”

Các nhà sinh thái học hiện đang tiếp tục khai thác tiềm năng đó bằng cách ghi nhận những biến động theo tuần, theo mùa và theo chu kỳ trong mức độ phong phú của nhiều loài sinh vật, đồng thời đối chiếu chúng với các biến động khí hậu. Thông qua eDNA trong không khí, họ đã phát hiện những thay đổi dài hạn trong cấu trúc quần xã sinh vật, chẳng hạn như sự gia tăng rồi suy giảm số lượng cây thông do thay đổi trong hoạt động quản lý rừng, kéo theo sự suy giảm của nhiều loài cây khác, rêu, địa y và nấm. Các nhà nghiên cứu cũng theo dõi được những mối tương quan sinh thái đã biết giữa các loài qua thời gian, ví dụ mối liên hệ giữa ruồi và một số nhóm vi khuẩn, đồng thời phát hiện thêm nhiều mối tương tác sinh học mới mà trước đây chưa từng được ghi nhận.

Châu Âu rải rác với các trạm phát hiện hạt nhân phóng xạ, có thể cung cấp "một cơ hội chưa từng có để tái tạo lịch sử sinh thái và phát hiện những thay đổi đang diễn ra", Stenberg và các đồng tác giả của ông nói.

Tuy nhiên, các mạng như vậy nằm ở các vị trí cố định. Một số nhà khoa học đang thử nghiệm giám sát linh hoạt hơn. Erin Hahn, người nghiên cứu di truyền học bảo tồn tại Bộ sưu tập Động vật Hoang dã Quốc gia Úc ở Canberra, đã thiết kế và in 3D các bộ lấy mẫu thụ động, không cần nguồn cung cấp năng lượng, và cung cấp chúng cho các chủ đất trên khắp New South Wales.

Nhóm nghiên cứu của Melanie Hahn hiện vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu. “Có vô số biến số cần xem xét như luồng không khí, mức độ tiếp xúc với ánh sáng hay khoảng cách đến các lối di chuyển của động vật,” Hahn cho biết. “Chúng tôi mới chỉ bắt đầu từng bước làm rõ những yếu tố này để hiểu chính xác hơn cách DNA phát tán và di chuyển trong môi trường.”Mục tiêu lâu dài mà Hahn hướng tới là xây dựng một mạng lưới giám sát linh hoạt và nhạy bén, có khả năng phát hiện nhanh những thay đổi trong hệ sinh thái, chẳng hạn sự xuất hiện của loài xâm lấn hoặc sự suy giảm nghiêm trọng của các quần thể sinh vật cần được quản lý và bảo tồn kịp thời.

Bức tranh toàn cảnh về đa dạng sinh học

Đối với các chính phủ, doanh nghiệp, nhà khoa học và các tổ chức bảo tồn đang tìm cách theo dõi sức khỏe của hệ sinh thái, eDNA trong không khí có thể trở thành một công cụ cung cấp dữ liệu đa dạng sinh học toàn diện và liên tục trên quy mô đất liền. Theo David Duffy, công nghệ này cho phép đánh giá môi trường một cách nhanh chóng trước, trong và sau các hoạt động phục hồi hoặc can thiệp sinh thái. “Điều đó có nghĩa là chúng ta không chỉ đơn thuần nghĩ rằng đa dạng sinh học đã được cải thiện, mà thực sự có thể định lượng và đo lường sự thay đổi ấy bằng dữ liệu cụ thể,” ông nói.

Hiện Duffy đang đánh giá tiềm năng của eDNA trong không khí đối với việc theo dõi quá trình phục hồi rừng và hiệu quả của các chương trình tái thiết hệ sinh thái.
   
Dữ liệu DNA thu được từ không khí cũng có thể giúp ghi nhận “sức sống” của hệ sinh thái thông qua việc theo dõi tải lượng mầm bệnh và mức độ đa dạng di truyền của từng loài, những chỉ dấu quan trọng phản ánh tình trạng sức khỏe sinh học.

Ngoài ra, eDNA trong không khí còn mở ra cơ hội giải đáp nhiều câu hỏi sinh thái học tồn tại lâu nay. Nhóm nghiên cứu của Per Stenberg hiện đang phát triển các mô hình nhằm làm rõ mối quan hệ nhân - quả trong hệ sinh thái. “Chúng ta biết cáo ăn thỏ, và thỏ ăn thực vật,” Stenberg giải thích. “Nhưng khi xét toàn bộ hệ sinh thái,  bao gồm vi khuẩn, giun tròn, côn trùng, thực vật và động vật, thì thực tế chúng ta vẫn gần như chưa hiểu rõ cách mọi thành phần tương tác với nhau.”

Việc khám phá sâu hơn những mối liên kết này có thể mang lại thông tin thực tiễn quan trọng về cách hệ sinh thái phản ứng trước các tác động và tổn thương từ môi trường hoặc hoạt động của con người.
 
Tham khảo: Tài liệu được cung cấp bởi Aisling Irwin. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
 
Tài liệu tham khảo:
Johnson, M. D., Barnes, M. A., Garrett, N. R. & Clare, E. L. Environ. DNA 5, 375–387 (2023).
Clare, E. L. et al. Curr. Biol. 32, 693–700 (2022).
Lynggaard, C. et al. Curr. Biol. 32, 701–707 (2022).
Tournayre, O. et al. Sci. Rep. 15, 19247 (2025).
Sullivan, A. R. et al. Nature Commun. 16, 11281 (2025).
Nousias, O. et al. Nature Ecol. Evol. 9, 1043–1060 (2025).
Doi, H. & Kelly, R. P. Nature Ecol. Evol. 7, 1334–1335 (2023).
Goray, M. et al. Electrophoresis 45, 933–947 (2024).
Nguồn:
https://www.nature.com/articles/d41586-026-01099-2?fbclid=IwdGRjcARN3OljbGNrBE3czWV4dG4DYWVtAjExAHNydGMGYXBwX2lkDDM1MDY4NTUzMTcyOAABHgCyfadcAPLVXQU1l6GinfaYOs2OYw7tw6yi23CEcCDt50WquJ_Ka6DM6WXw_aem_2iLhNZWeTeXFlrfmui7lQQ&utm_id=97758_v0_s00_e0_tv2_a1dennhb6t1vmx