Tìm kiếm nguồn enzyme mới

Trong tự nhiên, lignocellulose được chuyển hóa sinh học bởi các enzyme thành các đường đơn và được vi khuẩn sử dụng như nguồn thức ăn. Nguồn enzyme này rất đa dạng về hoạt tính và tính chất sinh - hóa phụ thuộc vào môi trường sống của vi khuẩn. Do đó, việc nghiên cứu nhằm khai thác các enzyme này từ vi khuẩn là rất cần thiết. Mặc dù vậy, do hạn chế về mặt kỹ thuật nên hiện nay chỉ có khoảng 1% vi khuẩn có thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Điều này hạn chế khả năng nghiên cứu tính chất của các enzyme từ nguồn vi khuẩn trong tự nhiên. Để khắc phục khó khăn này, các nhà khoa học đã phát triển kỹ thuật đa hệ gen (Metagenomics) cho phép khai thác và nghiên cứu các enzyme phân hủy lignocellulose từ vi khuẩn không thông qua nuôi cấy

Giải mã bằng metagenome

Nhằm khai thác hiệu quả các protein và enzyme tham gia quá trình chuyển hóa sinh học nguồn sinh khối lignocellulose từ 2 hệ sinh thái khác nhau là khu hệ vi khuẩn trong dạ cỏ dê (dê Cỏ, dê Bách Thảo sống chăn thả tại Ninh Bình và Thanh Hóa) và hệ vi khuẩn xung quanh khu nấm mục trắng trên thân gỗ đang phân hủy (thu tại Vườn quốc gia Cúc Phương), Viện Công nghệ Sinh học đã đề xuất và được Bộ KH&CN phê duyệt thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sản xuất một số enzyme phân hủy lignocellulose trên cơ sở khai thác dữ liệu metagenome (ký hiệu: MetagenLig)”.

Kết quả dự đoán các gen cho thấy, có 4.222.317 gen được khai thác từ cơ sở dữ liệu DNA đa hệ gen vi khuẩn của dạ cỏ dê và 3.884.879 gen được khai thác từ cơ sở dữ liệu đa hệ gen vi khuẩn quanh nấm mục trắng. Các gen ở vi khuẩn dạ cỏ dê được chia thành 6 nhóm gen chức năng liên quan tới 46 quá trình sinh học, còn ở vi khuẩn quanh nấm mục trắng là 5 nhóm gen chức năng liên quan tới 33 quá trình sinh học. Ngoài 5 nhóm chức năng giống nhau giữa hai hệ sinh thái (trao đổi chất, các quá trình hoạt động của tế bào, di truyền, môi trường và các bệnh liên quan đến người), ở vi khuẩn dạ cỏ dê còn có nhóm gen chức năng liên quan đến các hệ thống sinh học của dê như các hệ thống: tuần hoàn, tiêu hóa, nội tiết, bài tiết, miễn dịch, thần kinh, cảm giác… và quá trình lão hóa. Vì vậy, vi khuẩn trong hệ tiêu hóa được ví như bộ gen thứ hai liên quan tới các quá trình sinh học của vật chủ.

Trong tổng số 4.222.317 gen được chú giải chức năng từ dữ liệu DNA đa hệ gen của vi khuẩn dạ cỏ dê, có 67.540 gen tham gia quá trình phân hủy sinh học lignocellulose. Con số này ở vi khuẩn quanh nấm mục trắng là 22.226/3.884.879 gen.

Kết quả khai thác gen chuyển hóa lignocellulose từ dữ liệu DNA đa hệ gen vi khuẩn dạ cỏ dê cho thấy, vai trò rất quan trọng của chi vi khuẩn Prevotella trong việc tăng cường chuyển hóa thức ăn lignocellulose của dê. Đây là kết quả lần đầu tiên được phát hiện ở dê và nó là bằng chứng để nhận diện vai trò chỉ thị của nhóm vi khuẩn này trong phân tích quần xã vi sinh vật.

Hiệu quả mang lại

Có thể kể đến những kết quả chính của đề tài như sau: (1) Xây dựng được 2 bộ dữ liệu DNA chứa hàng triệu gen mã hóa cho các protein và enzyme đóng vai trò quan trọng đối với các quá trình sinh học của vi khuẩn; khai thác được một phần nhỏ các gen của hai bộ dữ liệu liên quan đến quá trình trao đổi chất lignocellulose; (2) Xây dựng được các quy trình khai thác hiệu quả gen từ cơ sở dữ liệu DNA và các quy trình công nghệ sàng lọc, biểu hiện và tinh chế các protein, enzyme khai thác được từ bộ dữ liệu gen; (3) Đánh giá được sự đa dạng quần xã vi khuẩn trong hai hệ sinh thái đặc thù (dạ cỏ dê và nấm mục trắng trên thân gỗ đang phân hủy trong rừng Cúc Phương).