Giải trình tự DNA của môi trường: Kỹ thuật tạo ra cuộc cách mạng sinh học

Nhật báo Le Monde số ra gần đây cho biết tháng 1 vừa qua, hai nhóm nghiên cứu độc lập thông báo họ đã thành công trong việc thu thập và xác định trình tự DNA có trong khí quyển. Phát hiện này thực sự là cuộc cách mạng trong không khí. Bằng cách hút và lọc không khí ở giữa hai công viên động vật châu Âu, mỗi nhóm nghiên cứu đã xác định được dấu vết DNA đặc trưng của hàng chục loài động vật có vú, chim hoặc bò sát từ các công viên nói trên. Kỳ tích này, được tái tạo lại trong môi trường tự nhiên và được mô tả trong một ấn phẩm xuất bản vào giữa tháng 3 vừa qua chỉ là kỳ tích mới nhất của một ngành kỹ thuật phân tử còn non trẻ, đó là DNA môi trường hay còn gọi là eDNA.

Liệt kê tất cả cá, thực vật và côn trùng trong hồ từ vài lít nước, theo dõi sự di cư của một con bướm bằng cách khôi phục từ cơ thể của nó DNA của những loài thực vật mà nó đã từng tiếp xúc, nhận biết các con ếch trong một khu vực bằng cách giải trình tự gen của các loài côn trùng đã cắn chúng ... Những nghiên cứu này, trông giống như một trò ảo thuật, hiện có hàng chục dự án mỗi tháng, góp phần mở rộng lĩnh vực ứng dụng của DNA môi trường, vượt xa các công cụ đơn giản để phát hiện các loài cách đây vài năm.

"Các phương pháp phân tích có vẻ rất phức tạp để thực hiện, nhưng mọi thứ lại dựa trên một nguyên tắc rất đơn giản : các loài sống để lại các đoạn DNA thông qua phân, lông, vảy, nước bọt, nước tiểu… Các dấu vết tồn dư này, được chiết ra từ một mẫu đất hoặc nước chẳng hạn, cấu thành cái được gọi là eDNA", Pierre Taberlet, giám đốc nghiên cứu danh dự tại Trung tâm nghiên cứu khoa học Pháp (CNRS) giải thích. Là một trong những người sáng lập ra chuyên ngành eDNA này, Pierre Taberlet cũng đã từng làm việc với Đại học Na Uy tại Tromso.

Trong Phòng thí nghiệm Sinh thái Alpine (LECA) do ông thành lập ở Grenoble, vào năm 2008 ông đã công bố kết quả giám sát đầu tiên của loài ễnh ương khổng lồ (Lithobates catesbeianus), có nguồn gốc từ châu Mỹ, bằng cách sử dụng các mẫu nước. Để làm điều này, nhóm LECA sử dụng một phương pháp được gọi là mã vạch hoặc mã vạch di truyền. Nguyên tắc : Nhắm vào một phần cụ thể của bộ gen thường thay đổi theo loài. Mỗi động vật, thực vật hoặc vi khuẩn có trình tự gen của riêng nó - một mã vạch đặc trưng cho loài - việc tìm thấy trình tự như vậy trong một môi trường nhất định chứng tỏ rằng loài tương ứng đang tồn tại hoặc đã đi qua đó gần đây (có thể phát hiện từ vài ngày, thậm chí vài tuần, sau khi nó đi qua).

Dùng eDNA để lập danh sách các loài hiện có

Mười lăm năm sau nghiên cứu trên loài ễnh ương, phương pháp này vẫn là một trong những ứng dụng chính của eDNA: Theo dõi sự hiện diện của các loài nhạy cảm, xâm lấn hoặc quý hiếm thông qua dấu vết di truyền mà chúng để lại trong môi trường.

Trước kia, phải mất rất nhiều ngày để các nhà tự nhiên học dày dạn kinh nghiệm xác định được vị trí của một số loài động vật nhất định, giờ đây chỉ một vài lít nước lọc cũng có thể đạt được kết quả tương tự. Thậm chí còn hơn thế, mã vạch có thể phát triển thành siêu mã. Nói cách khác là có thể xác định tất cả các mã vạch di truyền có trong một mẫu nước hoặc đất ... Và từ đó lập được danh sách tất cả các loài có mặt trong khu vực - ít nhất là những loài có mã vạch đã được biết.

Ý tưởng này đã được xác nhận và hiện được triển khai ứng dụng trên quy mô lớn, để thực hiện các cuộc kiểm kê về đa dạng sinh học trên khắp thế giới bằng eDNA. Trong những tháng gần đây, một số chương trình đã được tiến hành với ngân sách vượt quá 10 triệu đô la Mỹ (9,1 triệu euro) như eBio Atlas ở Vương quốc Anh, iTrackDNA ở Canada, và thậm chí cả UNESCO cũng đang triển khai một chương trình xung quanh các khu vực biển được liệt kê là Di sản Thế giới. "Một điều chưa bao giờ thấy!", theo đánh giá của Tony Dejean, cựu nghiên cứu viên tại LECA, người đã rời nhóm này để thành lập công ty phân tích eDNA của riêng mình Spygen vào năm 2011.

Gần đây, Tony Dejean cũng đã khởi động một chương trình xác định các sinh vật sống trên toàn cầu. Với tên gọi Đài quan sát sự sống toàn cầu Vigilife, chương trình mang tính liên minh quốc tế công tư này đang tiến hành các hoạt động thống kê và lập danh sách. "Thay vì tập trung vào động vật có xương sống, phần nổi của tảng băng, chúng tôi sử dụng eDNA để xác định tất cả các loài trong hệ sinh thái, từ vi khuẩn nhỏ đến động vật có vú và động vật thân mềm lớn", Tony Dejean cho biết. Sau chiến dịch lấy mẫu đầu tiên vào tháng 11/2021 trên sông Maroni ở Guyana, ông đang chuẩn bị chiến dịch mới ở Colombia, Bồ Đào Nha và thậm chí trên sông Zambezi của châu Phi.

Trong khi các thành tựu của khối nghiên cứu tư nhân đang tăng gấp bội xung quanh siêu mã và eDNA, các trung tâm nghiên cứu quốc gia cũng không chịu kém cạnh : Kể từ lần thử nghiệm đầu tiên của Pierre Taberlet tại LECA, số lượng các ấn phẩm khoa học liên quan đến eDNA đã tăng gấp đôi trong khoảng mỗi bốn năm. "Không thể thống kê được hết. Ngày nay, trung bình mỗi ngày chúng tôi lại có 3 công bố mới về đề tài này! Trong trào lưu này, nhiều nghiên cứu đang cố gắng tìm ra những phương pháp mới để thu thập những dấu vết DNA nổi tiếng còn sót lại trong môi trường, cho đến nay chủ yếu được chiết ra từ môi trường nước, đôi khi từ nền đất", nhà sinh vật học đến từ Grenoble thừa nhận.

Một số theo dõi DNA của gấu Bắc Cực trong các dấu chân trên tuyết, những người khác nhận diện hươu, nai và hươu sừng tấm từ nước bọt để lại trên các bụi cây hoặc lập danh sách kiểm kê về đa dạng sinh học biển bằng cách xác định trình tự gen trong các bọt biển tập trung eDNA, được xem như bộ lọc rất tốt của đại dương.

Vào cuối năm 2020, một nhóm người Anh thậm chí đã đánh giá tác động của sự suy thoái rừng trên đảo Borneo bằng cách sử dụng đỉa: Đỉa, được lấy từ các địa điểm bị suy thoái với mức độ khác nhau, sẽ lưu giữ dấu vết DNA của các loài động vật có vú lớn mà chúng hút máu và sẽ gián tiếp cho biết thông tin sự đa dạng của động vật xung quanh. Một năm trước đó, một nhóm khác đã nghiên cứu về tính di truyền và sự biến đổi của các đặc điểm di truyền của cá mập voi không phải bằng cách cổ điển là lấy một miếng thịt mà bằng cách tìm DNA của chúng trên các loài giáp xác nhỏ ký sinh trên da của chúng.

eDNA không khí, một hướng đi mới

Phục hồi DNA từ không khí xung quanh là một hướng thực nghiệm mới nhất trong một danh sách dài của các phương pháp để thu nhận dấu vết di truyền từ môi trường. Hiện tại, các chuyên gia hoan nghênh hướng mới này, nhưng phần lớn vẫn thận trọng về tính khái quát của kỹ thuật này.

Ông Pierre Taberlet nhấn mạnh: "Hai nghiên cứu được công bố vào tháng 1 vừa qua đã được thực hiện trong những điều kiện rất cụ thể, trong các vườn thú. Với LECA, chúng tôi đã từng thử lọc không khí để phục hồi DNA vài năm trước ở Guyana trong điều kiện tự nhiên nhưng không thu được kết quả thuyết phục". Sự thận trọng tương tự cũng được cảnh báo từ công ty phân tích eDNA Spygen, hiện đang "có một số dự án được tiến hành liên quan đến eDNA trên không trung, nhưng đúng hơn là trong các môi trường được kiểm soát như hang động", Tony Dejean tiết lộ.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Lund, Thụy Điển cũng vừa mới công bố vào trung tuần tháng 3 một nghiên cứu mới về eDNA trong môi trường không khí tự nhiên. Các nhà nghiên cứu tập trung vào các loài côn trùng thông qua việc thiết lập một hệ thống hút và lọc không khí trong các khu rừng ở Scandinavia cùng với việc triển khai các quy trình kiểm kê truyền thống (bẫy đèn và điều tra dân số trực quan). Kết quả: nhóm nghiên cứu đã xác định được 75 loài côn trùng nhờ DNA của chúng bay lơ lửng trong không khí, chưa kể một số loài xâm nhập trên động vật có xương sống - như chó, nhím hoặc chim bồ câu. Tuy nhiên, trong khi phương pháp eDNA không khí này giúp xác định một số loài không ghi nhận được bằng các phương pháp kiểm kê truyền thống, thì phương pháp truyền thống cũng đã xác định được nhiều loài côn trùng mà DNA của chúng không được tìm thấy trong không khí.

Chủ nhiệm dự án nghiên cứu này, ông Fabian Roger cho rằng "đây là một bằng chứng đầu tiên về tiềm năng lớn của hướng này nhưng nó sẽ phải được tối ưu hóa". Hiện ông Fabian Roger đang triển khai tại ETH Zürich - Thụy Sĩ để khám phá chính xác toàn bộ tiềm năng của eDNA không khí. Liệu kỹ thuật này có khả năng cạnh tranh với eDNA nước, vốn đã được sử dụng thường xuyên trong nhiều năm ở đại dương, sông và hồ, bao gồm cả việc xác định động vật có xương sống trên cạn? “Cạnh tranh thì không, nhưng nó sẽ góp phần bổ sung, đặc biệt là trong những trường hợp chúng ta không thể sử dụng eDNA trong môi trường thủy sinh. Tương lai sẽ cho chúng ta biết điều này có thể hữu ích như thế nào trong lĩnh vực này", ông khẳng định.

Bùng nổ ứng dụng của DNA môi trường

Với sự bùng nổ của các nghiên cứu theo kỹ thuật này, ngày càng có nhiều công việc rời bỏ cách theo dõi cổ điển trong kiểm kê loài và đa dạng sinh học và sử dụng eDNA như một công cụ để làm sáng tỏ các vấn đề toàn cầu.

"Vài năm trước, để phân tích một mẫu phải mất vài trăm euro, ngày nay chúng ta có thể làm điều đó với giá chưa đến mười euro. Rõ ràng là điều đó đã giúp cho kỹ thuật này được áp dụng phổ biến hơn và có thể xem xét nó cho các ứng dụng đa dạng hơn", kỹ sư nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường (Inrae) đã tham gia vào nhiều nghiên cứu sử dụng eDNA, Maxime Galan nhận xét như vậy.

Xét về quy mô, việc giải trình tự đầu tiên của bộ gen người, được hoàn thành vào năm 2003, trị giá 2,7 tỷ USD. Trình tự tương tự đó sẽ được thực hiện ngày hôm nay chỉ với giá chưa đến một nghìn đô la. Những gì ban đầu chỉ là công nghệ dành riêng cho các nhóm lớn với ngân sách lớn, giờ đây gần như đã trở thành một công cụ giống như mọi công cụ khác.

Ví dụ, ông Maxime Galan đã sử dụng nó để nghiên cứu sinh thái của một loài dơi ở miền Tây nước Pháp, loài dơi móng ngựa lớn nhất. Chính xác hơn là nghiên cứu các thay đổi của chế độ ăn tùy theo môi trường của chúng. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu của Pháp đã so sánh DNA có trong phân chim của sáu đàn dơi ở xa nhau, tìm ra tất cả các loài côn trùng bị ăn thịt. Maxime Galan tóm tắt: "Từ đó, chúng tôi đã xác định được một chế độ ăn chính phổ biến cho tất cả các đàn dơi và một chế độ ăn phụ mang tính cơ hội liên quan đến môi trường sống của động vật".

Một ví dụ khác, vị kỹ sư này cũng tham gia vào một loạt công việc được thực hiện trên các cánh đồng kê ở Senegal. eDNA đã cho phép theo dõi các mối liên hệ phức tạp của sự săn mồi và trạng thái ký sinh của hàng chục loài - côn trùng, nhện, chim, sâu bọ… - trong hệ sinh thái rất cụ thể này, từ đó biết được các kẻ thù tự nhiên của sâu đục thân hại kê, loài gây hại chính cho loại cây ngũ cốc này.

Tương tự như vậy, một số nhóm hiện đang sử dụng eDNA để mô tả mạng lưới thụ phấn, cơ sở của tất cả các hệ sinh thái. Nói cách khác, để tìm hiểu con vật nào thường đến thăm cây nào. Để làm điều này, một số người phục hồi và xác định DNA của thực vật được viếng thăm trên cơ thể của côn trùng bay, trong khi những người khác, ngược lại, tìm DNA mà côn trùng để lại trực tiếp trên hoa. Tốt hơn nữa là có thể xác định những bông hoa do ong của một tổ đã hút mật thông qua DNA chứa trong một lọ mật ong ... thậm chí tìm ra dấu vết của những loài côn trùng nhỏ tạo ra mật (chẳng hạn như rệp cây) mà đôi khi ong thu thập được giữa hai bông hoa. Kết quả đủ để vẽ ra sự khởi đầu của một danh sách đa dạng sinh học từ một vài thìa mật ong…

Dùng eDNA để định lượng

Ông Pierre Taberlet cho biết thêm: "Hiện tại, cũng có một sự bùng nổ thực sự trong lĩnh vực dùng eDNA để định lượng. Mục đích là để xem liệu số lượng DNA được phục hồi có phải là dấu hiệu cho thấy sự đông đúc của loài hiện đang có mặt ở nơi nào đó hay không. Ví dụ, bằng một mẫu nước trong hồ, mối tương quan này có thể giúp không chỉ kiểm kê loài cá sống ở đó mà còn xác định được các loài phong phú nhất trong hồ. Hiện tại, kết quả thu được vẫn khác nhau rất nhiều từ thí nghiệm này sang thí nghiệm khác tùy thuộc vào loài được nhắm tới và hầu hết các nghiên cứu mới tìm thấy mối tương quan như vậy được thực hiện trong phòng thí nghiệm không phải trong môi trường tự nhiên.

Tuy nhiên, một số công trình đang bắt đầu cho thấy sự quan tâm đầy đủ của dòng nghiên cứu này. Ví dụ, vào năm 2019, một nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã mô tả cách để có thể nghiên cứu chi tiết về sự di cư lớn của cá shishamo, một loài cá đặc hữu của Hokkaido bơi ngược dòng sông như cá hồi. eDNA ở những con sông này đã cho phép các nhà nghiên cứu xác định vị trí của loài, đồng thời đánh giá khối lượng cá tại mỗi địa điểm song song với cách đếm thủ công.

Cuối cùng, eDNA và siêu mã đã cho thấy sự thú vị của chúng đối với một lĩnh vực khá bất ngờ trong vài năm: chất lượng không khí, nước và đất. Một số nhóm đã nêu bật khả năng giám sát các chất gây dị ứng khác nhau có trong không khí: phấn hoa, bào tử nấm hoặc vi sinh vật.

Dưới nước, tác động của việc nuôi cá đã được đánh giá ở Scotland gần các trang trại cá hồi lớn bằng cách thông qua eDNA làm rõ sự suy giảm tính đa dạng của trùng lỗ, các sinh vật thủy sinh đơn bào. Ở Na Uy, thành phần của hệ động vật biển không xương sống nhỏ được lập danh sách nhờ sử dụng siêu mã, điều đó giúp đánh giá tác động của các giếng dầu ngoài khơi. Phải nói rằng nhiều sinh vật, đặc biệt là một số vi khuẩn nhất định, được chứng minh là chỉ thị hoàn hảo của các chất ô nhiễm nhất định: sự hiện diện của chúng - hoặc ngược lại, sự vắng mặt của chúng - có thể cho biết sự rò rỉ dầu, ô nhiễm kim loại nặng và thậm chí là sự hiện diện của chất thải phóng xạ.

Ứng dụng eDNA vào phục hồi đất

Nhìn chung, eDNA gần đây đã trở thành một công cụ đặc biệt phổ biến để đánh giá chất lượng đất. "Ngày nay có nhu cầu rất lớn từ tất cả các bên: các nhà công nghiệp, cơ quan công quyền, thế giới nông nghiệp ...", Aurélie Bonin lưu ý. Aurélie Bonin hiện là tổng giám đốc của công ty phân tích Argaly, một trong những công ty chuyên về eDNA trong đất. "Chúng tôi có một số dự án đang thực hiện với các nhà công nghiệp muốn theo dõi quá trình phục hồi của đất. Trên đất đã được đào lên, xử lý, nơi mà sự sống gần như biến mất hoàn toàn, eDNA có thể theo dõi sự trở lại dần dần của sự sống".

Công ty Argaly vừa khởi động một dự án với Cơ quan Chuyển đổi Sinh thái (Ademe) về việc đánh giá một số dự án phục hồi đất ở Pháp. Ví dụ ở Bordeaux, là một khu công nghiệp trước đây nay muốn chuyển đổi thành một công viên đô thị.

"Đối với hình thức theo dõi này, chúng tôi tập trung vào một số loại sinh vật đất, đặc biệt là các loài được gọi là then chốt đóng vai trò trọng tâm trong việc tổ chức và cân bằng môi trường. Ví dụ, nếu có nhiều giun đất thì đây sẽ là biểu hiện của loại đất thoáng khí, có nhiều chất hữu cơ, thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng. Tại Đại học Genève, Thụy Sĩ, một nhóm nghiên cứu đang cố gắng thực hiện công việc tương tự với trí thông minh nhân tạo, đào tạo nó để đánh giá chất lượng nội tại của một mẫu đất hoặc nước dựa trên dấu vết DNA mà nó chứa.

Đối với Aurélie Bonin, việc nhìn thấy DNA môi trường được phát triển rộng hơn các lĩnh vực ứng dụng ban đầu của nó thật sự không có gì đáng ngạc nhiên. "Tôi nghĩ đó là trường hợp thường xảy ra trong khoa học khi một công cụ mới xuất hiện: Khi mới bắt đầu, có một dạng kích thích để kiểm tra các khả năng của nó, sau đó, khi công nghệ trở nên hoàn thiện hơn, bạn sử dụng nó để tìm lời giải cho các câu hỏi mới". Dựa trên nguyên tắc này và dựa trên sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, DNA môi trường vẫn sẽ có những bất ngờ thú vị trong những năm tới.