Một công cụ mới để phân tích “Đối thoại của sự trao đổi chất” giữa các vi sinh vật

Các nhà nghiên cứu ở Viện Nghiên cứu Lai tạo giống thực vật Max Planck đã nghiên cứu một hệ thống cải tiến được gọi là MetaFlowTrain - cho phép nghiên cứu sự trao đổi chất và tương tác giữa các quần xã vi sinh vật ở những điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Mô hình miêu tả hệ thống MetaFlowTrain với 24 đường chuyển hóa, mỗi đường gồm 2 microcharmber kết nối với nhau thành chuỗi.

Các quần xã vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm và các sinh vật cực nhỏ khác cùng tồn tại trong một môi trường cụ thể. Mặc dù không nhìn thấy được bằng mắt, nhưng các quần xã này lại đóng vai trò quan trọng đối với chu trình dinh dưỡng, lưới thức ăn và sự phân hủy các chất ô nhiễm trong hệ sinh thái. Chúng rất cần thiết trong việc hỗ trợ sức khỏe của thực vật, động vật và con người bằng cách tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng, củng cố hệ miễn dịch và bảo vệ chống lại các tác nhân gây bệnh.

Các sinh vật nhỏ bé trong các quần xã vi sinh vật này không chỉ tương tác với môi trường sống của chúng mà còn tương tác với nhau không chỉ bằng các tương tác vật lý mà còn thông qua các chất chuyển hóa. Những chất này được gọi là các chất chuyển hóa ngoại bào (exometabolites) là những phân tử nhỏ do các vi sinh vật trong môi trường tổng hợp được, chẳng hạn như acid amin, acid hữu cơ, rượu và các chất chuyển hóa thứ cấp. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc định hình các quần xã vi sinh vật, ảnh hưởng đến sự tương tác thông qua sự hợp tác và cạnh tranh. Trong những hệ thống năng động này, các nhà khoa học gặp nhiều thách thức trong việc xác định vi sinh vật nào sản xuất ra các chất chuyển hóa cụ thể và cách các chất chuyển hóa này ảnh hưởng đến các vi sinh vật khác trong quần xã vi sinh vật.

Stéphane Hacquard và nhóm của ông đang nghiên cứu để hiểu sự tương tác có liên quan đến thực vật giữa các vi sinh vật trong quần xã vi sinh vật. Họ nhận ra việc phân chia các vi sinh vật cho phép loại trừ những ảnh hưởng của các tác động vật lý, vì thế tất cả các hiện tượng còn lại chỉ có thể là sự trao đổi chất chuyển hóa và các tín hiệu.

Thành quả của việc nhận thức này là hệ thống MetaFlowTrain, một hệ thống chất lưu cho phép các nhà khoa học đưa các vi sinh vật vào các microcharmber. Những microcharmber này được bao bọc bởi các bộ lọc cho phép trao đổi chất chuyển hóa và ngăn sự truyền vi sinh vật. Các microcharmber này có thể đứng riêng lẻ hay tạo thành một chuỗi, mỗi microcharmber chứa các loài vi sinh vật khác nhau. Ví dụ, với vi khuẩn ở microcharmber đầu tiên và nấm ở microcharmber thứ hai, các nhà khoa học có thể quan sát cách vi khuẩn tác động đến nấm và ngược lại bằng cách chuyển vị trí các microcharmber.

Dòng chảy liên tục của môi trường giúp kết nối các microcharmber với nhau, cho phép đưa các yếu tố ức chế vào hệ thống và ngăn ngừa sự cạn kiệt chất dinh dưỡng trong các microcharmber. Đây là một cải tiến quan trọng để xác định các chất chuyển hóa ngoại bào mới của vi khuẩn với đặc tính hoạt hóa hay truyền tín hiệu để định hình các quần xã vi sinh vật.

MetaFlowTrain dễ thiết lập và giá cả phải chăng, nó có tiềm năng to lớn trong việc xác định các phân tử làm trung gian cho các tương tác giữa vi khuẩn với vi khuẩn và vi khuẩn với vật chủ. Các nhà khoa học giờ đây có thể “nghe lén” tốt hơn các cuộc đối thoại của sự trao đổi chất để thúc đẩy sự hợp tác hoặc cạnh tranh giữa các quần xã vi sinh vật. Hơn nữa, việc sử dụng một cách có hiệu quả các khả năng của hệ thống để tìm ra các chất kháng khuẩn mới có tác dụng ức chế các tác nhân gây bệnh thực vật, tạo ra nhiều cơ hội mới cho một nền nông nghiệp bền vững và bảo vệ cây trồng.

Sự đa dạng của các phân tử do các loài vi khuẩn tổng hợp ra là kết quả của hàng triệu năm tiến hóa. Các phân tử này với những chức năng khác nhau để giúp cho các quần xã này tồn tại, thích nghi và phát triển trong nhiều môi trường khác nhau. Hiểu được chức năng và phương thức hoạt động của những phân tử này sẽ thúc đẩy các cải tiến trong lĩnh vực nông nghiệp.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Viện Max Planck.