Mở khóa rương kho báu sinh địa hóa bên trong vi khuẩn

Các chất chuyển hóa thứ cấp – các hợp chất được tạo ra bởi vi khuẩn để làm trung gian cho việc giao tiếp bên trong và bên ngoài, tự vệ và chiến tranh hóa học trong thế giới vi sinh vật – là cơ sở cho hàng trăm sản phẩm nông nghiệp, công nghiệp và y tế có giá trị cao. Và với tốc độ phát hiện ngày càng tăng của các chất chuyển hóa thứ cấp mới có giá trị, rõ ràng vi khuẩn là một sự lựa chọn tuyệt vời.

Hiện tại, một nhóm các nhà vi khuẩn học và nhà gen học do JGI (Joint Genome Institute) dẫn đầu đã phát minh ra một công cụ kỹ thuật di truyền, gọi là CRAGE, không chỉ giúp nghiên cứu các hợp chất này dễ dàng hơn mà còn lấp đầy những khoảng trống đáng kể trong sự hiểu biết của chúng ta về việc làm thế nào vi khuẩn tương tác với môi trường xung quanh và phát triển. Công trình của họ, hợp tác với Đại học Goethe Frankfurt và Phòng thí nghiệm khoa học phân tử môi trường DOE (EMSL), được công bố trên tạp chí Nature Microbiology.

Một minh họa tưởng tượng về cấu tạo phân tử bên trong vi khuẩn

(Nguồn: Wayne Keefe / Phòng thí nghiệm Berkeley)

Đi sâu vào hệ vi sinh vật

Các chất chuyển hóa thứ cấp được đặt tên như vậy bởi vì các hoạt động và chức năng của chúng không cần thiết cho sự sống sót của vi khuẩn, nhưng chúng có thể mang lại lợi thế cho vi khuẩn khi phải đối mặt với áp lực từ môi trường. Được mã hóa bởi các nhóm gen được gọi là cụm gen sinh tổng hợp (BGCs), khả năng tạo ra các chất chuyển hóa này dễ dàng được truyền qua lại giữa cả các vi khuẩn có liên quan chặt chẽ với nhau hoặc xa nhau thông qua việc chuyển gen ngang. Việc chia sẻ nhanh chóng và rộng rãi này cho phép các vi khuẩn thích nghi với các điều kiện thay đổi bằng cách nhanh chóng đạt được hoặc mất đi các đặc điểm nào đó, và bởi vì sự hoán đổi thường xuyên gây ra đột biến, việc chuyển gen ngang của BGCs thúc đẩy sự phát triển của các hợp chất khác nhau.

Thật không may, thế giới đầy hấp dẫn về sự trao đổi chất thứ cấp của vi khuẩn từ trước tới nay rất khó nghiên cứu bởi vì khi vi khuẩn được đưa vào phòng thí nghiệm, chúng thường không tạo ra các hợp chất này vì phòng thí nghiệm là một môi trường nhân tạo có rất ít khó khăn hoặc cạnh tranh. CRAGE – viết tắt của Chassis-independent Recombinase-Assisted Genome Engineering – giúp các nhà khoa học vượt qua rào cản này.

“Các chất chuyển hóa này giống như một ngôn ngữ mà vi khuẩn sử dụng để tương tác với quần xã của chúng và khi bị cô lập, chúng sẽ im lặng”, tác giả của nghiên cứu, ông Yasuo Yoshikuni, một nhà khoa học tại JGI cho biết: “Chúng tôi hiện đang thiếu công nghệ để kích thích vi khuẩn làm chúng kích hoạt cụm gen BGCs của chúng và tổng hợp nên sản phẩm hoàn chỉnh – một quá trình xảy ra ở mức độ tế bào bao gồm nhiều bước.”

CRAGE là một phương pháp cấy ghép cụm gen BGCs hiệu quả cao có nguồn gốc từ một sinh vật vào nhiều vật chủ sản xuất tiềm năng khác nhau một cách đồng thời nhằm xác định các chủng vi sinh vật có khả năng tự nhiên tạo ra chất chuyển hóa thứ cấp trong điều kiện phòng thí nghiệm.

“Do đó, kỹ thuật CRAGE cho phép chúng tôi có thể tiếp cận các hợp chất này dễ dàng hơn nhiều so với trước đây”, Helge Bode, đồng tác giả đến từ Đại học Goethe Frankfurt, Đức cho biết: “Trong một số trường hợp, nó đã cho phép chúng tôi tạo ra và mô tả lần đầu tiên một hợp chất mà chúng tôi quan tâm.”

Nhìn rộng hơn, bằng cách cung cấp một kỹ thuật để chuyển các cụm gen của vi khuẩn từ loài này sang loài khác, CRAGE sẽ cho phép các nhà khoa học vượt ra ngoài lý thuyết và dự đoán, và cuối cùng có thể quan sát được cách các “vật chất tối sinh học” thực sự hoạt động như thế nào.

David Hoyt, đồng tác giả, và là một nhà hóa học tại EMSL, nằm tại phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương cho biết: “Đây là một sự phát triển mang tính bước ngoặt, bởi vì với kỹ thuật CRAGE, chúng tôi có thể kiểm tra các sinh vật khác nhau có thể biểu hiện một mạng gen khác nhau như thế nào và do đó khả năng chuyển đổi theo chiều ngang có thể phát triển như thế nào. Các công cụ trước đây để làm được điều này có rất nhiều hạn chế”. Hoyt cùng với các đồng nghiệp Kerem Bingol và Nancy Washton đã giúp mô tả một trong những chất chuyển hóa thứ cấp chưa được biết đến trước đây được sản xuất khi nhóm của Yoshikuni thử nghiệm CRAGE.

Đồng tác giả Jing Ke, một cộng tác viên khoa học tại JGI, nói thêm: “Ngoài việc dùng để nghiên cứu các chất chuyển hóa thứ cấp, CRAGE còn có thể được sử dụng để tạo các vi khuẩn cho mục đích sản xuất protein, RNA và các phân tử khác với phạm vi ứng dụng rất lớn.”

Các bước tiếp theo

Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã chuyển thành công cụm gen BGCs sang 30 chủng vi khuẩn khác nhau và hy vọng rằng nó sẽ hoạt động ở nhiều loài khác, mặc dù kỹ thuật này có thể sẽ cần phải được điều chỉnh cho một số loài. Những nghiên cứu sâu hơn và phát triển sản phẩm hiện đang được tiến hành, nhưng kỹ thuật này hiện đã có sẵn cho các nhóm nghiên cứu sử dụng tại JGI thông qua các chương trình thí điểm.

Trong khi đó, Yoshikuni – người đã phát triển công cụ tái tổ hợp gen tiền thân, RAGE, vào năm 2013 – và các đồng nghiệp tại JGI của ông đã bắt đầu áp dụng CRAGE cho các dự án của riêng họ, như khám phá các chủng vi khuẩn lạ cho sản xuất sinh học.

“Ngoài một số vi khuẩn được nghiên cứu kỹ lưỡng (những vi khuẩn mô hình như E. coli), chúng tôi không biết liệu một chủng vi khuẩn khác sẽ có các kỹ năng cần thiết để thực hiện tất cả các bước kích hoạt BGC hay không,” Yoshikuni nói: “Hy vọng với CRAGE, chúng ta có thể bắt đầu thay đổi mô hình đó – chúng ta có thể tìm kiếm các loài vi khuẩn hoang dã hơn và tìm các đặc tính của chúng để phù hợp hơn cho việc sản xuất các sản phẩm và thuốc.”

Theo Science News

Nguyễn Đăng Quí, PTN Vi sinh vật học và Công nghệ lên men