Một Hướng Dẫn Mới về Vi Sinh Vật Hoang Dã của Trái Đất

Hầu hết mọi nơi trên Trái Đất đều được vi sinh vật sinh sống. Chúng sống trong hồ, suối, đất và không khí; chúng chiếm đóng cơ thể chúng ta và thậm chí còn tồn tại trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt như các khe nước nóng và suối nước nóng axit. Và số lượng của chúng là đáng kinh ngạc—có nhiều vi sinh vật trong một nắp đất nhỏ hơn cả số người sống trên Trái Đất.

Tuy nhiên, nhà khoa học không biết nhiều về đa số chúng. Chỉ có một phần nhỏ được nuôi trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu. Việc đưa một vi sinh vật hoang dã vào trong một chén Petri đòi hỏi công việc đau đớn, kỹ năng chuyên gia và rất nhiều may mắn. Điều này không xảy ra thường xuyên.

Nhưng vào tháng 11, các nhà nghiên cứu từ Viện Genom Liên Hợp của Bộ Năng Lượng đã công bố một tiến bộ đáng kể: Họ đã tổ chức hợp các danh mục vi sinh vật lớn nhất đến nay, chứa hơn 50,000 genome từ 18,000 loài vi sinh vật khác nhau—trong đó có 12,000 loài chưa từng được ghi chép trước đây. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature Biotechnology, mở rộng nhánh cây đời biết đến này thêm 44 phần trăm.

“Đó là một lượng dữ liệu đáng kinh ngạc,” nhận xét của Jonathan Eisen, nhà tiến hóa sinh học từ Đại học California, Davis và là một trong những người sáng lập của một trong những nỗ lực đầu tiên để liệt kê vi sinh vật, Bảo tàng Di truyền học Vi khuẩn và Khẩu trang vi khuẩn. “Chỉ có khoảng 10,000 loài vi sinh vật đã được nuôi trong điều kiện thí nghiệm và mô tả chính thức, và tuy nhiên có thể có một tỷ loài. Đó là lý do tại sao nghiên cứu này lại quan trọng như vậy.”

Trong bức tranh mới về cuộc sống trên Trái Đất này, các nhà khoa học đã phát hiện nhiều điều có thể hữu ích. Trong số đó có hàng ngàn gen mới mã hóa enzym có tiềm năng sử dụng trong y học; hàng trăm loài vi khuẩn mới; các hữu cơ một tế bào phát ra carbon vào khí quyển; và một loài mới của vi khuẩn Coxiella, một chi bao gồm đặc trưng là vi khuẩn gây khủng bố sinh học loại B Coxiella burnetii—một vi khuẩn rất lây nhiễm có thể lây từ động vật nông nghiệp sang con người gây ra một căn bệnh gọi là sốt Q. Họ cũng phát hiện hơn 760,000 virus và liên kết một số trong số chúng với các chủng vi khuẩn và khẩu trang, mở rộng thêm sự kết nối rộng lớn trong thế giới vô hình này.

“Điều này thực sự được thiết kế để làm nguồn lực cộng đồng lớn này cho các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới có thể sau đó sử dụng dữ liệu này để cố gắng trả lời những câu hỏi mà họ quan tâm,” nhận xét của Emiley Eloe-Fadrosh, trưởng Chương trình Vi sinh vật chủng tại Viện Genom Liên Hợp và tác giả chính trên nghiên cứu mới.

Nghiên cứu về vi sinh vật bắt đầu từ thế kỷ 17, khi nhà nghiên cứu vi khuẩn Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek nhìn qua kính hiển vi một ống và khám phá một thế giới ẩn. Nhưng trong những thế kỷ tiếp theo, các nhà khoa học chỉ mới nhận biết một phần nhỏ của sự đa dạng sinh học đầy đủ của vi sinh vật trên Trái Đất. Theo Stephen Nayfach, một nhà tin sinh học tại Viện Quốc gia Lawrence Berkeley và tác giả chính trên bài báo, đa số lớn vi sinh vật không thể phát triển trong điều kiện phòng thí nghiệm, và điều này làm cho việc nghiên cứu nhiều hữu cơ trở nên “gần như không thể bằng các phương pháp truyền thống.”

Một nguyên nhân là việc nhân bản đúng điều kiện chính của nước sôi sinh học cần thiết cho vi khuẩn phát triển không dễ dàng. Hành trình để tìm hiểu bí mật về một vi khuẩn cụ thể nằm sâu trong bùn biển sâu, ví dụ, mất cho một nhóm nghiên cứu Nhật Bản 12 năm. Họ phải tìm ra sự kết hợp chính xác của chất dinh dưỡng, khí và hóa chất cho phép nó phát triển. Chiến tích này, đòi hỏi thêm một hỗn hợp của bốn loại kháng sinh khác nhau để tiêu diệt các dòng chất nhiễm, là một thành tựu lớn được cộng đồng khoa học vinh danh. Nghiên cứu về vi khuẩn này, mà họ đặt tên là Prometheoarchaeum syntrophicum theo vị thần Hy Lạp sáng tạo ra con người từ bùn, đã giải đáp những câu hỏi lâu dài về cách cuộc sống phức tạp trên Trái Đất đã tiến hóa.

Trước đây, người ta nghĩ rằng bạn chỉ có thể nhận được ADN chất lượng cao trực tiếp từ động vật hoặc xương và mẫu bảo quản tốt, nhưng, bắt đầu từ những năm 1980, các nhà vi khuẩn học đã bắt đầu trình tự hóa ADN trực tiếp từ gói đất, bùn và nước biển. Họ đang tìm kiếm vật liệu gen gọi là ADN môi trường, hoặc eDNA, được rơi bởi những sinh vật sống. Thay vì phải nuôi vi khuẩn trong phòng thí nghiệm để có được gen của chúng, họ hiện nay sử dụng eDNA và một kỹ thuật gọi là metagenomics để trình tự trực tiếp các đoạn ADN bị loại bỏ. Nayfach nói rằng điều này đã “thực sự làm cách mạng hóa cách các nhà khoa học nghiên cứu đa dạng vi khuẩn.”

Nayfach là một nhà nghiên cứu tại Viện Gen chung, cung cấp dịch vụ trình tự hóa ADN cho các nhà khoa học trên khắp thế giới. Trong vòng 15 năm qua, viện đã trình tự hóa eDNA từ các nhà nghiên cứu nghiên cứu khe nước nóng biển sâu, tảng đáng đại bắc cực, bùn biển và nước biển Hy Lạp, mỏ vàng sâu ở châu Phi, ruột người và động vật, và nhiều hơn nữa. Cơ sở dữ liệu này, là kết quả của nghiên cứu từ tất cả những nhóm đó, đã cho phép Eloe-Fadrosh và đồng nghiệp của cô phát hiện thêm nhiều nhánh của cây cuộc sống.

Được bao gồm trong cơ sở dữ liệu mới, có sẵn công khai, là một kho tàng của các gen mới mã hóa enzym có khả năng sản xuất các hợp chất hữu ích gọi là “metabolit phụ.” Đây là các hợp chất hữu cơ nhỏ được tìm thấy trong tự nhiên có tính chất điều trị, như opium được sản xuất bởi cây cỏ poppy hoặc penicillin từ nấm Penicillium. Vi khuẩn đất cũng là một nguồn mạnh mẽ của các phương pháp điều trị. Cephalosporium, một chủng vi khuẩn đất, ví dụ, đã tạo ra nhiều loại kháng sinh và thậm chí là thuốc chống ung thư. Trong thực tế, một số hợp chất của nó đã được phát triển thành các loại thuốc, như các loại kháng sinh chloramphenicol và spectinomycin, hiện được Tổ chức Y tế Thế giới coi là thuốc thiết yếu.

“Cá nhân tôi rất quan tâm đến sự đa dạng ở đó và cách chúng ta có thể lập danh mục cho nó,” nói Eloe-Fadrosh. Là một nhà nghiên cứu cho Bộ Năng lượng, cô đặc biệt quan tâm đến vai trò mà những vi khuẩn này đóng trong các quá trình sinh hóa địa hóa trong môi trường và chu kỳ carbon. Vi khuẩn sống trong đất phân hủy chất hữu cơ và phát ra carbon dioxide và methane, đóng góp vào khí nhà kính trong khí quyển.

Một câu hỏi lớn ngay bây giờ trong sinh thái vi khuẩn là những vi khuẩn trong tảo lạnh ở Bắc cực sẽ xảy ra điều gì khi nhiệt độ toàn cầu tăng lên và nó bắt đầu tan chảy. Liệu chúng có giải phóng một lượng lớn carbon vào khí quyển khi chúng tỉnh giấc và thưởng thức cây cỏ và động vật bị đóng băng ở đó không? “Mọi người thường muốn biết, hệ vi sinh vật sẽ phản ứng thế nào với biến đổi khí hậu? Và chúng tôi gặp khó khăn khi trả lời những câu hỏi đó vì chúng tôi vẫn chỉ hiểu biết về vi khuẩn nào sống ở ngoại ô và họ làm gì,” nói Allison Murray, một nhà sinh thái vi khuẩn tại Viện Nghiên cứu Sa mạc, người không tham gia vào nghiên cứu.

Danh mục này là một bước quan trọng đầu tiên trong việc hiểu điều đó, vì nó chứa nhiều loại vi khuẩn mới có gen liên quan đến sản xuất methane. Ngoài ra, Eloe-Fadrosh nói, cô tìm thấy nhiều archaea có gen sản xuất methane, lấy carbon dioxide và giảm nó thành methane. Cô hào hứng về tiềm năng tương lai của cách nào đó sử dụng những vi khuẩn này để lưu trữ carbon khí quyển.

Karen Lloyd, một nhà vi khuẩn học tại Đại học Tennessee Knoxville không tham gia vào dự án, nói rằng nguồn gen mới này là “đầu óc hoa mắt” trong khả năng của nó để mở rộng các lựa chọn của chúng ta cho các phân tử sinh học hữu ích. Đối với Lloyd, nghiên cứu “bày tỏ toàn bộ phạm vi của thế giới vi sinh vật cho chúng ta, và nó cho chúng ta thấy rằng cảnh quan vi sinh vật là một bề dày và chưa được khám phá nhiều.”

Eisen, một người yêu chim cầu, so sánh cơ sở dữ liệu này với bản nháp đầu tiên của một hướng dẫn thực địa cho vi khuẩn hoang dã của Trái Đất. Nhưng anh ấy nói rằng đó chỉ là bước đầu tiên trong việc hiểu về chức năng của những sinh vật này và tầm quan trọng của chúng trong hệ sinh thái. Bước tiếp theo là tìm hiểu một số thông tin về sinh học của chúng.

Eloe-Fadrosh đồng ý. “Bằng cách lập danh mục đa dạng của vi khuẩn ở ngoại ô, chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ có khả năng xác định tất cả các chế độ trao đổi chất khác nhau và các chức năng đặc biệt mà được mã hóa trong toàn bộ cây cuộc sống,” cô nói.

Cập nhật 12.18.2020 6:23 PM EST: Bài viết này đã được cập nhật để sửa chính tả tên Stephen Nayfach, chức vụ của Emiley Eloe-Fadrosh và mô tả về chất phụ metabolit thứ cấp.

Cập nhật 12.18.2020 10:45 EST: Bài viết này đã được cập nhật để so sánh chính xác hơn số lượng vi khuẩn với số người trên Trái Đất, và để sửa lỗi phần trăm thay đổi của vi khuẩn đã biết, loài Coxiella được phát hiện, số lượng virus mà các nhà khoa học liên kết với chủ nhân, số lượng kháng sinh được đội nghiên cứu Nhật Bản sử dụng, thập kỷ khi các nhà khoa học bắt đầu trình tự hóa eDNA, và tên của viện mà Allison Murray liên kết.

Cập nhật 12.22.2020 12:45 PM EST: Một phiên bản trước của câu chuyện này nói rằng đã phát hiện hàng chục loài vi khuẩn mới. Cụ thể hơn, đã phát hiện hàng trăm loài.

Thêm nhiều điều thú vị từ Mytour

• 📩 Muốn nhận thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!

• Đại dịch mang lại cơ hội thay đổi cách chúng ta di chuyển

• 8 cuốn sách khoa học để đọc (hoặc tặng) mùa đông này

• Tương lai của công việc: “Cấu hình hợp tác của tâm trí”

• Một sứ mệnh để biến các bữa tiệc ảo trở nên thực sự vui nhộn

• Một người đi bộ không tên và vụ án mà internet không thể giải mã

• 🎮 Mytour Games: Nhận các mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa

• 📱 Lưỡng lự giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo lắng—kiểm tra hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích