Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Nhiều loại kháng sinh tuyến đầu của chúng ta có nguồn gốc từ vi sinh vật. Khi tình trạng kháng kháng sinh lan rộng và nguồn thuốc mới cạn kiệt, lớp đất dưới chân ta lại ẩn chứa một kho tàng khổng lồ các hợp chất cứu người chưa được khai thác. Tuy nhiên, hầu hết vi khuẩn không thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, khiến các nhà khoa học không thể đánh giá trực tiếp sự đa dạng di truyền.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Genetically Encoded Small Molecules của Đại học Rockefeller, đã phát triển một phương pháp tiếp cận kho tàng vi sinh này. Họ đã bỏ qua phương pháp nuôi cấy vi khuẩn, thay vào đó chiết xuất các đoạn DNA rất lớn trực tiếp từ mẫu đất để ghép thành hệ gen của các vi khuẩn trước đây chưa từng được biết đến, sau đó khai thác các hệ gen này để tìm các phân tử có hoạt tính sinh học.

Trong báo cáo đăng trên Nature Biotechnology, nhóm nghiên cứu cho biết từ một mẫu đất rừng duy nhất, họ đã tạo ra hàng trăm bộ gen vi khuẩn hoàn chỉnh chưa từng được ghi nhận, cũng như phát hiện hai hợp chất kháng sinh mới. Công nghệ mới này cung cấp một phương thức mở rộng để tìm kiếm thuốc mới từ những vi khuẩn không thể nuôi cấy và khám phá thế giới vi sinh chưa từng được biết đến trong môi trường sống của chúng ta.

“Chúng tôi cuối cùng đã có công nghệ để nhìn thấy thế giới vi sinh vật vốn trước đây con người không thể tiếp cận” tiến sĩ Sean F. Brady, trưởng phòng thí nghiệm, cho biết. “Và chúng tôi không chỉ nhìn thấy thông tin này; chúng tôi còn đang biến nó thành những kháng sinh tiềm năng. Đây chỉ mới là phần khởi đầu”.

Brady và các cộng sự đã công bố công trình của họ trong một bài báo có tiêu đề “Các phân tử có hoạt tính sinh học được phát hiện nhờ giải trình tự dài quy mô terabase của metagenome đất”, trong đó họ kết luận: “Cách tiếp cận của chúng tôi mở rộng khả năng tiếp cận metagenome đối với sự đa dạng di truyền khổng lồ của phần lớn vi khuẩn chưa nuôi cấy và cung cấp một phương tiện để chuyển đổi chúng thành các phân tử có hoạt tính sinh học”

Khi tìm kiếm vi khuẩn, đất là một lựa chọn hiển nhiên. Đây là kho dự trữ vi khuẩn lớn nhất và đa dạng sinh học nhất trên hành tinh_chỉ một thìa cà phê có thể chứa hàng nghìn loài khác nhau. Nhiều dược chất quan trọng, bao gồm phần lớn kháng sinh hiện có, đã được phát hiện từ phần nhỏ vi khuẩn đất có thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Hơn nữa, đất là nguồn tài nguyên “rẻ như đất”.

Tuy nhiên, chúng ta biết rất ít về hàng triệu loài vi sinh vật ẩn chứa trong lòng đất. Các nhà khoa học nghi ngờ rằng những vi khuẩn tiềm ẩn này không chỉ một kho dự trữ thuốc mới chưa được khai thác, mà còn chứa những manh mối về cách vi sinh vật định hình khí hậu, nông nghiệp và môi trường rộng lớn hơn mà chúng ta đang sống. Brady bình luận: “Trên khắp thế giới có một hệ sinh thái ẩn giấu của vi sinh vật có thể tác động to lớn đến cuộc sống của chúng ta. Chúng tôi muốn cuối cùng nhìn thấy chúng”. Tuy nhiên, các tác giả lưu ý “Phần lớn vi khuẩn vẫn không thể nuôi cấy được trong phòng thí nghiệm, điều này ngăn cản việc phân tích trực tiếp sự đa dạng di truyền của chúng”.

Mặc dù metagenomics có thể cung cấp khả năng tiếp cận sự đa dạng di truyền của các vi khuẩn chưa nuôi cấy thông qua việc phân tích DNA được tách chiết từ toàn bộ quần thể vi sinh vật, nhóm nghiên cứu cho biết “Việc khám phá hệ vi sinh vật đất đặt ra một thách thức đặc biệt khó khăn, không chỉ do sự đa dạng vi sinh vật khổng lồ mà chúng chứa, mà còn bởi những thách thức liên quan đến việc phân lập metagenome có chất lượng cao”.

Trong nghiên cứu mới, nhóm đã kết hợp nhiều phương pháp tiếp cận. Trước tiên, họ tối ưu hóa một phương pháp để phân lập trực tiếp các đoạn DNA lớn, có chất lượng cao từ đất. Việc kết hợp bước tiến này với công nghệ giải trình tự nanopore long-read đang phát triển đã cho phép Tiến sĩ Jan Burian, nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Brady, tạo ra các chuỗi DNA liên tục dài hàng chục nghìn cặp base_dài gấp 200 lần so với bất kỳ công nghệ hiện có nào trước đây. Họ báo cáo rằng “Kích thước đoạn đọc tăng lên đã dẫn đến việc lắp ráp các chuỗi DNA liên tục có độ dài ở cấp độ megabase, bao gồm hàng trăm bộ gen metagenome vòng hoàn chỉnh”.

DNA từ đất chứa một số lượng khổng lồ các loại vi khuẩn khác nhau; nếu không có các chuỗi DNA dài như vậy, việc giải mã câu đố di truyền phức tạp này thành các hệ gen hoàn chỉnh và liên tục cho các loài vi khuẩn khác nhau là cực kỳ khó khăn. Brady nói rằng:

“Thật dễ dàng hơn nhiều để lắp ráp một bộ gen hoàn chỉnh từ những mảnh DNA lớn, thay vì hàng triệu đoạn nhỏ lẻ có sẵn trước đây. Và điều đó tạo ra sự khác biệt rõ rệt về độ tin cậy của kết quả”.

Các phân tử nhỏ riêng lẻ, ví dụ như kháng sinh, do vi khuẩn sản xuất được gọi là sản phẩm tự nhiên. Để chuyển đổi các trình tự mới được khám phá thành các phân tử có hoạt tính sinh học, nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp sản phẩm tự nhiên tin sinh học tổng hợp (synBNP). Họ đã dự đoán tin sinh học các cấu trúc hóa học của sản phẩm tự nhiên trực tiếp từ dữ liệu hệ gen và sau đó tổng hợp hóa học chúng trong phòng thí nghiệm. Brady mô tả phương pháp này, điều mà có thể mở rộng và thích nghi với hầu như bất kỳ không gian metagenome nào ngoài đất, như một chiến lược ba bước có thể mở ra kỷ nguyên mới của vi sinh học “Phân lập DNA lớn, giải trình tự nó và chuyển đổi tính toán thành một thứ hữu ích”.

Với phương pháp synBNP, Brady và các cộng sự đã thành công biến bản thiết kế di truyền từ vi khuẩn chưa nuôi cấy thành các phân tử thực, bao gồm hai phân tử kháng sinh. Áp dụng cho mẫu đất rừng duy nhất của họ, cách tiếp cận này tạo ra 2,5 terabase dữ liệu trình tự cuộc khám phá đọc dài sâu nhất đối với một mẫu đất duy nhất cho đến nay. Phân tích của họ phát hiện ra hàng trăm hệ gen vi khuẩn liên tục hoàn chỉnh, hơn 99% trong số đó hoàn toàn mới với khoa học và xác định thành viên từ 16 nhánh chính của cây phả hệ vi khuẩn.

Hai hợp chất tiềm năng được phát hiện có thể trở thành kháng sinh mạnh. Thứ nhất, erutacidin, phá vỡ màng vi khuẩn thông qua một tương tác hiếm gặp với lipid cardiolipin và có hiệu quả chống lại ngay cả các vi khuẩn kháng thuốc khó điều trị nhất. Một kháng sinh khác, trigintamicin tác động lên một động cơ tháo gỡ protein được gọi là ClpX, một mục tiêu kháng khuẩn hiếm thấy.

Brady nhấn mạnh rằng những khám phá này mới chỉ là sự khởi đầu. Nghiên cứu chứng minh rằng các hệ gen vi sinh vật trước đây không thể tiếp cận giờ đây có thể được giải mã và khai thác để tìm các phân tử có hoạt tính sinh học ở quy mô lớn mà không cần nuôi cấy vi sinh vật.
Khám phá tiềm năng di truyền của “microbial dark matter” như vậy cũng có thể mang lại những hiểu biết mới về các mạng lưới vi sinh vật ẩn giấu duy trì hệ sinh thái.

“Bằng cách đạt được sự gia tăng đáng kể về độ dài đoạn đọc, chúng tôi chứng minh rằng có thể giải mã các hệ gen metagenome hoàn chỉnh, liên tục từ một mẫu đất phức tạp. Điều này không chỉ nâng cao hiểu biết của chúng ta về thành phần cộng đồng vi khuẩn môi trường mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về tiềm năng sinh tổng hợp được mã hóa”. Burian bổ sung “Chúng tôi chủ yếu quan tâm đến các phân tử nhỏ như thuốc điều trị, nhưng còn có nhiều ứng dụng vượt ra ngoài y học… Việc nghiên cứu vi khuẩn có thể nuôi cấy đã dẫn đến những tiến bộ giúp định hình thế giới hiện đại và việc cuối cùng có thể nhìn thấy và tiếp cận phần lớn vi khuẩn chưa nuôi cấy sẽ thúc đẩy một thế hệ khám phá mới”.

Nhóm nghiên cứu đã viết tóm tắt “Bằng cách kết hợp khả năng truy cập đọc dài được cải thiện đối với không gian trình tự metagenome với khám phá synBNP, chúng tôi đã xây dựng một quy trình để tận dụng sự đa dạng di truyền khổng lồ của vật chất tối vi sinh vật nhằm phát hiện có hệ thống, tổng hợp và sàng lọc các phân tử có hoạt tính sinh học vốn trước đây không thể tiếp cận”.
 

Nguồn: https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/novel-antibiotics-unearthed-by-long-read-sequencing-of-soil-metagenome/