Giải mã hệ vi sinh vật và tác động lên ngành chăn nuôi heo - Tại sao chúng ta vẫn chưa làm được? Phần 1

Trong vài năm qua, rất có thể nhiều người đã nói về “hệ vi sinh vật” của heo. Nhiều nghiên cứu khoa học đã xem xét tác động của hệ vi sinh vật đối với sản xuất và sức khỏe, nhưng không có bức tranh rõ ràng về “hệ vi sinh vật khỏe mạnh” trông như thế nào. Hệ vi sinh vật là gì và nó có thể giúp ta giữ heo khỏe mạnh như thế nào? Chúng ta sẽ điều tra điều này ở đây.

Microbiota, hệ vi sinh vật, là một từ được đặt ra bằng cách sử dụng thuật ngữ biota, sinh thái, có nghĩa là bất kỳ dạng sống nào được tìm thấy trong một khu vực hoặc môi trường sống nhất định. Do đó, hệ vi sinh vật liên quan đến quần thể sinh vật cực nhỏ - tất cả các vi sinh vật được tìm thấy ở một nơi nhất định (ví dụ như thành phần hệ vi sinh đường ruột heo được thể hiện trong Hình 1). Thuật ngữ này bao gồm bacteriota (chỉ khi đề cập đến vi khuẩn), virota (chỉ đối với vrus) hoặc mycobiota (chỉ nấm). Không nên nhầm lẫn khái niệm này với microbiome (hoặc các thuật ngữ khác kết thúc bằng “-ome”) - có nghĩa là tập hợp các genome (bộ gen) trong một mẫu nhất định. Genome là tập hợp các gen từ một sinh vật nhất định. Microbiota và microbiome không giống nhau, nhưng chúng thường được sử dụng thay thế cho nhau.

Việc nghiên cứu hệ vi sinh vật là một công cuộc cực kỳ phức tạp và đầy thách thức. Trên thực tế, hầu hết các nghiên cứu về “hệ vi sinh vật” đang hướng đến một cái gì đó khác. Khác với một nhà sinh vật học sử dụng ống nhòm để quan sát vẹt đuôi dài hoang dã trong rừng nhiệt đới Brazil, các nhà vi sinh vật học không thể chỉ nhìn vào virus và xem chúng tương tác với nhau. Trên thực tế, chúng ta không thể nuôi cấy nhiều vi sinh vật trong phòng thí nghiệm bằng các quy trình thông thường (Kogure et al., 1979; Staley và Konopka, 1985). Đây là một vấn đề đến nỗi các nhà khoa học gọi nó là "dị thường số đếm trên đĩa lớn” (great plate count anomaly): một hiện tượng mà người ta có thể quan sát thấy nhiều vi sinh vật khác nhau dưới kính hiển vi, nhưng nuôi cấy trong phòng thí nghiệm lại không mang lại sự đa dạng như vậy (Hình 2). Điều này được giải thích bởi sự hiểu biết hạn chế của chúng ta về các yêu cầu dinh dưỡng và môi trường của mỗi vi sinh vật - chúng ta có thể chỉ biết một tỷ lệ rất hạn chế trong số tất cả các vi sinh vật. Vì vậy, làm thế nào để nghiên cứu hệ vi sinh vật?

Câu trả lời là giải trình tự - chúng ta sắp xếp thứ tự bộ gen của chúng và sử dụng trình tự DNA của chúng để xác định chúng, và để hiểu cách chúng tương tác với nhau, và loài heo vật chủ của chúng. Trình tự DNA của mỗi vi sinh vật (và mọi sinh vật khác) có chức năng như một mã vạch. Bằng cách “quét” mã vạch này, chúng ta có thể xác định “sản phẩm” (vi sinh vật). Do đó, phần lớn những gì chúng ta biết về hệ vi sinh vật microbiota đến từ kiến thức về hệ gen vi sinh vật microbiome. Nhưng, tại sao chúng ta không thể thuần hóa hệ vi sinh vật như chúng ta đã làm với loài chó cách đây 10.000 năm, và khiến nó mang lại lợi ích cho chúng ta?

Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc trả lời câu hỏi “có loài gì ở đó?” trong hệ gen vi sinh vật. Mặc dù đây là một bước quan trọng, nhưng hiện nay người ta chuyển sang hướng nhận ra rằng có một việc thậm chí còn thích đáng hơn việc hiểu “loài gì”, là biết “chúng đang làm gì?”. Thêm vào đó, có một số lưu ý khi nói đến công nghệ giải trình tự DNA và diễn dịch (số lượng lớn) dữ liệu này thành các giải pháp hữu ích trong chuồng nuôi:

• DNA hiện diện ở khắp mọi nơi. Điều này có nghĩa là các chất tạp nhiễm được đưa vào hầu hết các bước phân tích (Salter và cộng sự, 2014). Điều này có thể làm sai lệch dữ liệu và làm lu mờ kết quả trừ khi có các biện pháp kiểm soát rất mạnh - và thường thì không;
• Các công cụ được sử dụng để phân tích dữ liệu hệ gen vi sinh không được chuẩn hóa và mỗi công cụ trong số chúng đều có một sai lệch cố hữu. Có nghĩa là rất khó để so sánh dữ liệu từ nghiên cứu này với nghiên cứu khác;
• Có RẤT NHIỀU vi sinh vật (riêng kết tràng có 10¹⁴ ). Tất cả chúng đều khác nhau, và chúng ta có rất ít thông tin về phần lớn chúng là loài gì, chúng có thể làm gì và làm như thế nào;
• Bất kỳ hoạt động quan trọng nào thường là từ các vi sinh vật quý hiếm - nghĩa là chúng ta đang mò kim đáy biển mà còn không biết cây kim trông như thế nào;
• Có những tương tác giữa các vi sinh vật mà chúng ta không hiểu/không biết, vậy làm thế nào chúng ta có thể tìm kiếm chúng?;
• Hệ vi sinh vật rất phức tạp và RẤT hay thay đổi. Nó khác biệt giữa các vật chủ (heo vs bò), giữa các vị trí (mắt heo vs miệng heo), giữa thời gian trong ngày (sáng vs tối) (Liang và FitzGerald, 2017; Voigt và cộng sự, 2016). Cơ bản là, mỗi khi chúng ta nhìn vào nó, chúng ta lại thấy một cái gì đó khác đi.

Có ý kiến cho rằng một số thách thức này sẽ được giải quyết trong vài năm tới khi công nghệ giải trình tự DNA trở nên hiệu quả và dễ tiếp cận hơn, đồng thời phát triển khả năng phát hiện chất tạp nhiễm. Trong bài viết tiếp theo của loạt bài này, chúng ta sẽ xem xét cách chúng ta giải thích dữ liệu về hệ gen vi sinh vật, những gì chúng ta biết cho đến nay về hệ gen vi sinh vật ở heo và tiến độ đang được thực hiện như thế nào để khai thác tiềm năng của nó để cải thiện sức khỏe và sản xuất.