Những tiến bộ trong lĩnh vực thống kê sẽ vén màn bí ẩn về các microbiome con người

Tương tự AND, microbiome của mỗi người là duy nhất

Katherine Pollard, một chuyên gia về thống kê và quần xã sinh vật¹, đã phát biểu trong một phiên họp tại Hội nghị Thống kê 2015 (JSM 2015) ở Seattle rằng “Những tiến bộ trong lĩnh vực thống kê sẽ giúp vén màn bí ẩn về các microbiome^[1] con người – những bộ sưu tập lớn các vi sinh vật sống trong và trên cơ thể của con người”.

Pollard cũng là điều tra viên cao cấp tại Viện Gladstone và là giáo sư về dịch tễ học và thống kê sinh học tại Đại học California, San Francisco, đã chuyển một bài thuyết trình mang tên “dự toán phân loại và chức năng đa dạng trong Metagenomes^[2]” trong một buổi họp tập trung vào số liệu thống kê, các microbiome và sức khỏe con người .

“Trong khi chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu được vai trò phức tạp của vi khuẩn trên con người sinh học, đó là những thay đổi cụ thể rõ ràng trong hệ vi khuẩn có liên quan – và đôi khi gây hại hoặc có lợi – bệnh ở vật chủ” Pollard cho biết trong khi giải thích nghiên cứu của mình tập trung vào “Một số trong các liên kết tốt nhất được hỗ trợ là các bệnh tự miễn, trong đó đang gia tăng ở Hoa Kỳ, có lẽ do sử dụng kháng sinh và thiếu tiếp xúc với đa dạng các vi khuẩn trong thời thơ ấu. “Giả thuyết vệ sinh” cho thấy nguy cơ sức khỏe không phải do di truyền của con người mà có thể xuất phát từ sự khác biệt trong thành phần microbiome giữa các cá nhân.”

Hơn nữa, một loài vi sinh vật nhất định có thể chiếm ít hơn 50% gen giống nhau khi được tìm thấy trong hai người. Những sự khác biệt này với khả năng hoạt động của cộng đồng vi khuẩn, bao gồm các gen liên quan đến sự trao đổi chất đường, sinh tổng hợp và hệ thống hai thành phần. “Hai con người với cùng loài vi khuẩn trong ruột của họ có thể trải nghiệm tương tác rất khác nhau vì môi trường khác nhau chỉ đơn giản là không làm điều tương tự”, Pollard nói.

Vì lý do này, điều quan trọng là phải xác định không chỉ các loại vi khuẩn có trong một mẫu nhất định, mà còn môi trường di truyền của từng dòng. Tuy nhiên, điều này là một thách thức đáng kể với Big Data, đòi hỏi tiến bộ trong phương pháp thống kê và phần mềm mới để phân tích chính xác của dữ liệu khổng lồ metagenomics. “Sự phát triển của chuỗi metagenomic của DNA tổng số trong một mẫu vi khuẩn từ cơ thể con người đã cho phép chúng tôi ước tính sự phong phú của các vi khuẩn cụ thể và gen của vi sinh vật. Tuy nhiên, với bất kỳ công nghệ mới nào, metagenomics có độ chệch lớn ​​và các lỗi do đó phải được khắc phục phân tích trước khi chúng ta có thể so sánh các dữ liệu chính xác tất cả các mẫu” Pollard nói. “Điều này đã hạn chế sự hiểu biết của chúng ta cả về mức độ và tác động của sự biến đổi của vi sinh vật trong môi trường khác nhau, quan trọng nhất là các microbiome con người.”

Metagenomics đặt ra nhiều thách thức cho phân tích, từ lỗi đọc chuỗi DNA để giải mã mà theo trình tự nào để lấy từ hàng trăm loài vi sinh vật trong mẫu microbiome. Một trong những vấn đề lớn nhất là bao nhiêu trong số các chủng vi sinh vật có trên một người nào đó sẽ không bao giờ được giải mã. Ngay cả những nghiên cứu hoàn hảo về microbiome trong ruột, người ta ước tính, trung bình 43% các chủng loại có thể không được phát hiện bằng các phương pháp phân tích tài liệu tham khảo của vi sinh vật có sẵn.

Để giải quyết điều này và các vấn đề nghiên cứu microbiome khác, Pollard và Stephen Nayfach, một sinh viên tốt nghiệp sinh học trong nhóm của Pollard tại Viện Gladstone, phát triển một phần mềm thống kê mới để nhanh chóng và chính xác ước tính sự hiện diện và chức năng của các vi khuẩn trong một metagenome. Chương trình của họ được gọi là MicrobeCensus, ShotMAP và PhyloCNV – cải tiến đáng kể về phương pháp cho phép các nhà khoa học xác định số lượng chính xác từng loại cụ thể trong các microbiome trên người bằng cách sử dụng trình tự đọc 50 cặp bazơ (base pair)^[3].

Sử dụng các công cụ mới, phòng thí nghiệm của Pollard đã điều tra một báo cáo phát hiện ra rằng những người béo phì có tỷ lệ thấp hơn của vi khuẩn từ Bacteroidetes phylum để vi khuẩn từ phylum Firmicutes so với các cá nhân nạc. Mặc dù các tài liệu khoa học và các phương tiện truyền thông nói chung đã báo trước sự kết hợp này là đáng chú ý, một số báo cáo chất vấn sự tồn tại của nó.

Để kiểm tra tính hợp lệ của hội, nhóm Pollard đã tiến hành một đánh giá sâu rộng của mối quan hệ giữa chỉ số khối lượng cơ thể (BMI- Body Mass Index) và các thành phần phân loại của các microbiome ruột. Phân tích tổng hợp (meta-analysis^[4]) về dữ liệu từ nhiều nghiên cứu không tìm thấy mối liên quan giữa BMI và sự phong phú tương đối của bất kỳ loài vi khuẩn, Pollard nói trong bài thuyết trình của mình.

Cô cho biết những tiến bộ thống kê mới cho phép các nhà khoa học sẽ thực hiện các hình thức khác của nghiên cứu microbiome như xác định các loài vi sinh vật và gen có chỉ dấu sinh học cho bệnh khởi phát hoặc tiến hành phát triển thuốc nhằm vào microbiome.

“Các microbiome rõ ràng đóng một vai trò quan trọng trong cơ thể, nhưng vai trò này rất phức tạp và phải được phân tích trong bối cảnh chế độ ăn uống, thuốc và di truyền của chủ thể”, cô kết luận.

[1] Microbiome: Là một hệ sinh thái gồm hàng trăm ngàn tỷ vi sinh vật gồm vi khuẩn, virút, nấm, động vật nguyên sinh… đang sinh sống và bao phủ mọi ngóc ngách cơ thể. Chúng cực kỳ bé nhỏ, gần như vô hình dưới mắt thường, sống cuộc đời tưởng chừng nhàm chán (ăn, lớn lên và sinh sản) nhưng lại tác động rất lớn đến sức khỏe con người. Các nhà khoa học gọi chúng là “microbiome”, tức toàn bộ hệ gen của cộng đồng các vi sinh vật đang cư ngụ ở trên và bên trong cơ thể.

[2] Metagenomes: Là việc ứng dụng các kỹ thuật di truyền hiện đại trong nghiên cứu về quần xã vi sinh vật một cách trực tiếp trong môi trường tự nhiên của chúng mà không cần phải phân lập và nuôi cấy chúng trong phòng thí nghiệm. Metagenomics còn được biết đến như là “hệ gen cộng đồng” hay “hệ gen môi trường”.

[3] Base pair: để ám chỉ 2 bazơ luôn đi cặp với nhau trong phân tử DNA chuỗi xoắn kép. Trong base pairing, thì A – T và G – C. Đôi lúc ta vẫn có gặp nonstandard base pair như G-U.

[4] meta-analysis: Là một kỹ thuật thống kê, tổng hợp các kết quả nghiên cứu từ các nghiên cứu độc lập

Phạm Anh Tuấn (lược dịch)

Nguồn: http://www.sciencedaily.com/releases/2015/08/150813092811.htm

¹ Quần xã sinh vật là một tập hợp các quần thể sinh vật cùng sống trong một vùng địa lý hay sinh cảnh nhất định, là phần sống hay hữu sinh của hệ sinh thái. Các sinh vật trong quần xã có mối quan hệ hữu cơ với nhau (quan hệ vật chủ – con mồi, cạnh tranh cùng loài hay khác loài, quan hệ cộng sinh, quan hệ vật ký sinh – vật chủ) về nguồn thức ăn, điều kiện sống .v.v. (ND)