Việt Nam sở hữu hệ thống ruộng muối tự nhiên trải dài từ Bắc vào Nam, là môi trường lý tưởng cho sự phát triển của Haloarchaea. Tuy nhiên, các nghiên cứu về nhóm vi sinh vật cổ này vẫn còn rất hạn chế. Trước nhu cầu thực tế, nhiệm vụ hợp tác quốc tế giữa Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ Nha Trang (nay là Viện Hải dương học) – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Viện Nghiên cứu Địa cực (ISP) – Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Italia (CNR) về “HALOPHARM: Vi khuẩn cổ chịu mặn – nguồn enzyme mới cho dược liệu” (mã số QTIT01.01/23-24) đã được triển khai. Nhiệm vụ do PGS.TS. Phạm Đức Thịnh làm chủ trì phía Việt Nam, với mục tiêu tìm kiếm, phân lập, khai thác các enzyme từ các chủng Haloarchaea bản địa – nhóm vi sinh vật cổ sinh trưởng trong môi trường cực đoan (ở điều kiện độ mặn cao) có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất dược liệu và sinh phẩm công nghệ cao.
PGS.TS. Phạm Đức Thịnh (thứ 3 từ trái) cùng đoàn Viện Hải dương học tiếp đoàn ISP – CNR (Italia), tháng 6/2023.
Trong khuôn khổ nhiệm vụ, các nhà khoa học đã tiến hành thu mẫu tại các ruộng muối điển hình ở cả 3 miền đất nước, đặc biệt là Hòn Khói (Khánh Hòa) và Hải Lý (Nam Định) những địa điểm có độ mặn rất cao, điều kiện sống khắc nghiệt đến mức hầu như không loài sinh vật nào có thể tồn tại.
Kết quả, nhóm nghiên cứu đã phân lập được 27 chủng vi sinh vật chịu mặn cao từ các mẫu thu tại Hòn Khói – Khánh Hòa. Các chủng này cho thấy khả năng thích nghi ấn tượng với độ mặn từ 165 – 375 g/L và nhiệt độ dao động từ 36,5 – 60,2°C, những điều kiện được đánh giá là môi trường cực đoan với điều kiện tồn tại của sự sống. Đặc biệt, 5 trong số các chủng này được xác định thuộc nhóm Haloarchaea – cổ khuẩn ưa mặn, dựa trên phản ứng nhạy cảm đặc hiệu với anisomycin. Việc các chủng này không chỉ sống sót mà còn phát triển tốt trong điều kiện nuôi cấy nhân tạo đã mở ra hướng tiếp cận với thế giới vi sinh vật cổ vốn vẫn còn là ẩn số của sinh giới.
Từ 5 chủng cổ khuẩn nói trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành sàng lọc chức năng enzyme thủy phân polysaccharide. Kết quả cho thấy, chủng VS7M5.3 có hoạt tính mạnh trên cả 3 cơ chất là cellulose, hyaluronic acid (HA) và chitin. Các chủng còn lại như VS7M5.1, VS7M5.7 và VS7M5.11 cũng thể hiện hoạt tính rõ trên từng cơ chất, mở ra triển vọng sử dụng các enzyme như cellulase/xylanase, chitinase và hyaluronidase trong công nghiệp sinh học, y học, xử lý môi trường và sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối.
Các chủng vi sinh vật trên môi trường phân lập sau 3 tuần nuôi cấy và một số khuẩn lạc đã được làm thuần
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu là việc phân tích cấu trúc cộng đồng vi sinh vật bằng công nghệ metagenome hiện đại. Nhóm đã giải trình tự vùng V3 – V4 của gene 16S rRNA từ các mẫu nước muối, trầm tích và muối kết tinh. Kết quả cho thấy mức độ đa dạng sinh học cao ở các mẫu thu thập được, đặc biệt là tại mẫu trầm tích VS9sed. Nhóm Halobacterota chiếm ưu thế ở hầu hết các mẫu có hàm lượng muối cao, trong khi nhóm DPANN Archaea là nhóm cổ khuẩn ít được biết đến chiếm khoảng 78,5% tại mẫu VS7. Ngoài ra, nhóm đã phát hiện các nhánh tiến hóa sâu chưa từng được ghi nhận trong cơ sở dữ liệu quốc tế như DBCVW#1, DBCVN#2 và DBCVP#2. Trong đó, cụm DBCVW#1 từ mẫu VS7 được đánh giá là nhánh tiến hóa tiềm năng đại diện cho loài mới.
Cây phát sinh loài của các chủng vi khuẩn cổ chịu mặn (Haloarchaea) và các nhóm liên quan dựa trên trình tự gene 16S rRNA
Chia sẻ về khó khăn trong nghiên cứu, PGS.TS. Phạm Đức Thịnh cho biết: Một trong những thách thức lớn nhất mà nhóm nghiên cứu phải đối mặt là làm việc với các chủng vi sinh vật cổ vốn có yêu cầu rất nghiêm ngặt về điều kiện môi trường như độ mặn, pH và nhiệt độ. Chỉ một sai số nhỏ trong quá trình nuôi cấy cũng có thể khiến các chủng này không phát triển được hoặc mất đi hoạt tính enzyme, điều kiện thiết yếu cho các phân tích tiếp theo. Bên cạnh đó, việc xử lý dữ liệu metagenome với hàng trăm nghìn trình tự ngắn cũng đòi hỏi hệ thống tính toán mạnh mẽ và kinh nghiệm chuyên sâu trong lĩnh vực tin sinh học, điều mà không phải đơn vị nào trong nước cũng có thể đáp ứng đầy đủ.
Tuy nhiên, từ nhiệm vụ hợp tác quốc tế với ISP – CNR (Italia) này, nhóm đã có cơ hội tiếp cận với công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS), đồng thời thực hiện giải trình tự bộ gene đầy đủ (WGS) cho một số chủng cổ khuẩn được lựa chọn kỹ lưỡng. Mặc dù các kết quả phân tích chi tiết vẫn chưa thể công bố do giới hạn thời gian, song những kết quả ban đầu từ hợp tác này đã mở ra nhiều bước tiến quan trọng, không chỉ về mặt công nghệ mà còn nâng cao đáng kể năng lực chuyên môn và tư duy nghiên cứu của nhóm cán bộ khoa học Việt Nam.
Chuyến thăm và làm việc của PGS.TS Phạm Đức Thịnh tại ISP – CNR (Italia) tháng 11/2024
Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên một bài báo quốc tế thuộc danh mục SCIE và một bài báo khoa học trong nước, hỗ trợ đào tạo một học viên cao học chuyên ngành Sinh học thực nghiệm, qua đó khẳng định vai trò của nghiên cứu trong việc gắn kết và nâng cao chất lượng đào tạo nhân lực khoa học.
PGS.TS. Phạm Đức Thịnh cho biết thêm: Các enzyme phân lập từ chủng vi khuẩn cổ chịu mặn bước đầu cho thấy hoạt tính trên một số cơ chất polysaccharide, phản ánh tiềm năng ứng dụng trong sinh học. Dù chưa phát triển thành sản phẩm cụ thể, nhưng các chủng vi khuẩn này là nguồn vật liệu di truyền quý, mở ra hướng nghiên cứu các enzyme có khả năng chịu mặn, chịu nhiệt – những đặc tính quan trọng trong công nghiệp sinh học, xử lý môi trường và sản xuất dược liệu. Kết quả ban đầu này là cơ sở để tiếp tục sàng lọc, tối ưu và đánh giá khả năng ứng dụng enzyme trong các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.
Ngoài khả năng ứng dụng thực tiễn, nghiên cứu đã góp phần bổ sung vào Bộ sưu tập gần 2000 chủng vi sinh vật biển hiện đang lưu trữ tại đơn vị, hướng tới xây dựng Ngân hàng vi sinh vật biển Quốc gia. Đây sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu về đa dạng sinh học, phát triển enzyme đặc thù và khai thác hoạt chất sinh học từ nguồn vi sinh vật biển. Đồng thời, việc phân tích khả năng tồn tại của các vi sinh vật trong điều kiện khắc nghiệt góp phần mở rộng hiểu biết về sự thích nghi của sự sống trong môi trường cực đoan, hướng nghiên cứu có ý nghĩa trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, nơi các giải pháp công nghệ sinh học đang trở nên ngày càng cần thiết.
Cung cấp tin: Chu Thị Ngân, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học
Xử lý tin: Thanh Hà
