Sáng kiến ​​Microsetta (TMI) và nghiên cứu về hệ vi sinh vật

Bạn có thể bắt đầu bằng cách cung cấp cho chúng tôi thông tin tổng quan về Sáng kiến ​​Microsetta và các mục tiêu chính của sáng kiến ​​này không?

Sáng kiến ​​Microsetta (TMI) là nghiên cứu về hệ vi sinh vật có sự hợp tác chặt chẽ giữa Phòng thí nghiệm Knight và Trung tâm Đổi mới hệ vi sinh vật (CMI) tại Đại học California San Diego (UC San Diego).

Mục tiêu chính của nghiên cứu là hiểu rõ hơn về hệ vi sinh vật của chúng ta, như hệ vi sinh vật trên ruột hoặc da, và mối liên hệ của chúng với chế độ ăn uống, lối sống, độ tuổi, sức khỏe, tiền sử bệnh, nhân khẩu học và các tình trạng liên quan khác. Những người tham gia gửi mẫu, chẳng hạn như phân, sau đó chúng tôi giải trình tự để khám phá loại vi khuẩn và các vi sinh vật khác có mặt. Chúng tôi ghép nối dữ liệu này với thông tin mà người tham gia cung cấp về đặc điểm cá nhân và thói quen của họ.

Bằng cách phân tích sự kết hợp giữa thành phần vi khuẩn và phản hồi khảo sát, chúng tôi có thể tìm ra những mối liên hệ mới không chỉ mở rộng kiến ​​thức của chúng tôi về hệ vi sinh vật ở người mà còn tạo ra những hướng nghiên cứu mới để xác định cách thức và lý do tại sao những mối liên hệ này tồn tại. Ngoài nghiên cứu và phân tích nội bộ, chúng tôi cũng đưa dữ liệu ẩn danh hoàn toàn vào phạm vi công cộng để bất kỳ ai cũng có thể sử dụng lại. Theo cách này, các nhà khoa học trên toàn thế giới có thể sử dụng những dữ liệu này để thúc đẩy sự hiểu biết của chúng tôi.

Nguồn gốc của sáng kiến ​​này bắt đầu từ Dự án Đường ruột Hoa Kỳ (2012) và Đường ruột Anh (2014), là những nỗ lực khoa học công dân tại địa phương nhằm thu thập dữ liệu về hệ vi sinh vật do những người tham gia tại Hoa Kỳ và Vương quốc Anh cung cấp.

TMI trở thành bước tiếp theo tự nhiên cung cấp khuôn khổ để khái quát phạm vi hoạt động của dự án.

Cái tên “Microsetta” nhằm phản ánh mối quan hệ khái niệm với Rosetta Stone (giúp các học giả giải mã chữ tượng hình).

Tương tự như vậy, chúng tôi hy vọng rằng kết quả của TMI sẽ mở rộng dữ liệu về hệ vi sinh vật từ nhiều quần thể để các nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu cách kết quả từ quần thể này áp dụng cho quần thể khác.

Điều gì đã thúc đẩy bạn theo đuổi nghiên cứu trong lĩnh vực vi sinh vật?

Vào năm 2010, khi đó tôi là một sinh viên sau đại học đang cần tiền tài trợ cho kỳ nghỉ hè, tôi đã nhận được lời kêu gọi của Rob Knight, lúc đó là giáo sư tại Đại học Colorado Boulder, nhờ giúp đỡ thu thập mẫu cho một nghiên cứu.

Nghiên cứu này là về việc liệu hệ vi sinh vật của một người có được hình thành bởi những người và động vật khác sống cùng họ hay không. Vào thời điểm đó, tôi có kiến ​​thức nền về di truyền học và sinh thái học nhưng hoàn toàn không quen thuộc với khái niệm hệ vi sinh vật. Khi tôi tham gia nhiều hơn vào nghiên cứu và tìm hiểu thêm về lĩnh vực này, tôi đã bị cuốn hút. Tôi bị cuốn hút bởi ý tưởng rằng chúng ta và tất cả các loài động vật khác trên trái đất là toàn bộ hệ sinh thái, nơi sinh sống của vô số sinh vật vi khuẩn và chúng ta vẫn hiểu rất ít về chúng và mối quan hệ của chúng ta với chúng. Tôi đã tiếp tục dẫn dắt ‘nghiên cứu gia đình’ đó vào ấn phẩm đầu tiên của mình và nghiên cứu này là lý do tại sao bạn thấy các câu hỏi về những người và những loài động vật mà bạn sống cùng trong bảng câu hỏi của TMI.

Một số khám phá hoặc phát hiện quan trọng nhất từ ​​Sáng kiến ​​Microsetta cho đến nay là gì?

Một trong những khám phá có tác động lớn nhất mà chúng tôi tìm thấy là mối liên hệ giữa sự đa dạng của các loại thực vật mà bạn ăn và sự đa dạng của hệ vi sinh đường ruột của bạn. Nếu bạn đã xem bộ phim tài liệu gần đây của Netflix, “Hack Your Health: The Secrets of Your Gut”, có lẽ bạn đã quen thuộc với sinh tố 60 loại cây, hoặc bạn có thể đã thấy các tài liệu tham khảo về thử thách 30 loại cây. Mặc dù việc cho tất cả mọi thứ trừ bồn rửa nhà bếp vào máy xay sinh tố không hoàn toàn cần thiết, nhưng khái niệm này được xây dựng dựa trên những phát hiện từ nghiên cứu của chúng tôi.

Trong ấn phẩm năm 2018 của chúng tôi, ” American Gut: An Open Platform for Citizen Science Microbiome Research “, chúng tôi phát hiện ra rằng những người tham gia báo cáo ăn 30 loại thực vật trở lên mỗi tuần có hệ vi sinh vật đường ruột đa dạng hơn những người tham gia báo cáo ăn ít hơn mười loại thực vật. Phát hiện này đặc biệt thú vị vì chúng tôi không mong đợi điều đó từ trước.

Khi chúng tôi đào sâu hơn, chúng tôi thấy rằng những người đó cũng có xu hướng có nhiều hợp chất và vi khuẩn nhất định được cho là có vai trò có lợi, chẳng hạn như một hợp chất gọi là axit linoleic liên hợp (CLA) và các vi khuẩn được xác định là Faecalibacterium prausnitzii và Oscillospira . Các vi khuẩn như thế này rất quan trọng vì chúng có thể sản xuất axit béo chuỗi ngắn (SCFA), các hợp chất có lợi cho sức khỏe con người.

Một phát hiện quan trọng khác là tuổi có thể được ước tính từ hệ vi sinh vật . Hệ vi sinh vật da đặc biệt tốt cho mục đích này. Đối với phân tích này, chúng tôi đã kết hợp dữ liệu TMI với dữ liệu từ các nghiên cứu khác để đảm bảo rằng phát hiện này có giá trị đối với các nghiên cứu và quần thể khác nhau. Hiện chúng tôi đang nỗ lực cải thiện các ước tính này bằng các phương pháp tiên tiến hơn.

Bạn có thể giải thích thêm về phương pháp luận và công nghệ được sử dụng trong Sáng kiến ​​Microsetta để phân tích và hiểu về hệ vi sinh vật không?

Phòng thí nghiệm của chúng tôi sử dụng giải trình tự DNA metagenomic, còn được gọi là giải trình tự shotgun metagenomic, để xác định các vi khuẩn trong mẫu. Phương pháp này bao gồm việc lấy các đoạn trích ngẫu nhiên từ tất cả các DNA tìm thấy trong mẫu và giải trình tự chúng. Sau đó, chúng tôi khớp các trình tự DNA đó với các trình tự từ bộ gen vi khuẩn đã biết để ước tính các loại và số lượng tương đối của các vi sinh vật hiện diện.

Đối với ấn phẩm năm 2018, chúng tôi đã sử dụng một phương pháp tiếp cận được sử dụng rộng rãi khi đó gọi là giải trình tự amplicon 16S, giải trình tự chỉ một phần của một gen có trong tất cả các vi khuẩn. Mặc dù phương pháp đó đã rất hiệu quả, giải trình tự metagenomic cung cấp một bức tranh chi tiết hơn về các mẫu vi sinh vật bằng cách cho phép chúng tôi bao phủ nhiều phần hơn của bộ gen, điều này giúp chúng tôi hiểu sâu hơn không chỉ về những vi khuẩn nào có ở đó mà còn về những gì chúng có thể làm.

Nghiên cứu về hệ vi sinh vật có thể thay đổi cơ bản sự hiểu biết của chúng ta về sinh học con người như thế nào và nó có tiềm năng gì trong việc cách mạng hóa các phương pháp điều trị y tế và chiến lược y tế công cộng?

Nghiên cứu về hệ vi sinh vật đã mở mắt chúng ta về sự phức tạp và tính biến đổi to lớn của các vi sinh vật sống xung quanh, trên và bên trong chúng ta và mức độ chúng ta phụ thuộc vào chúng. Mỗi người chúng ta đều có một tập hợp vi khuẩn độc đáo được hình thành bởi mọi thứ từ di truyền và cách chúng ta được sinh ra cho đến thực phẩm chúng ta ăn và nơi chúng ta sống.

Mặc dù chúng ta có nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời ở giai đoạn này, nghiên cứu đã phát hiện ra rằng vi khuẩn có liên quan chặt chẽ đến sức khỏe và sinh học của con người theo những cách mà chúng ta không hiểu hết chỉ vài thập kỷ trước. Chúng không chỉ rèn luyện hệ thống miễn dịch của chúng ta mà chúng ta còn thấy rằng chúng cũng đóng một vai trò trong sức khỏe trao đổi chất, cách chúng ta phản ứng với thuốc và liệu pháp miễn dịch, thậm chí cả sức khỏe tâm thần.

Một vấn đề sức khỏe cộng đồng quan trọng mà chúng ta phải đối mặt là sự mất mát liên tục của sự đa dạng vi khuẩn do các hoạt động liên quan đến quá trình phương Tây hóa, đô thị hóa và thay đổi môi trường. Nhiều nghiên cứu trên con người đã chỉ ra rằng dân số phương Tây hóa và đô thị có sự đa dạng vi khuẩn thấp hơn nhiều so với dân số duy trì lối sống truyền thống hơn. Sự thay đổi môi trường cũng có khả năng làm cạn kiệt các cộng đồng vi khuẩn thực vật, động vật và đất theo những cách không thể đảo ngược.

Các nhà nghiên cứu vẫn đang vật lộn với những tác động chính xác của những mất mát này. Tuy nhiên, chúng tôi đã quan sát thấy ở quy mô lớn hơn rằng khi các loài động vật hoặc thực vật bị tuyệt chủng, điều này thường có tác động tiêu cực đến các hệ sinh thái và cộng đồng mà chúng là một phần. Hệ vi sinh vật của con người có khả năng phải chịu những rủi ro tương tự, vì các nhà nghiên cứu tin rằng sự suy giảm tính đa dạng của vi khuẩn có liên quan đến sự gia tăng tỷ lệ mắc các bệnh mãn tính và làm giảm khả năng phục hồi chung của chúng ta trước các tác nhân gây bệnh.

Với sự mất mát về tính đa dạng, chúng ta cũng mất đi cơ hội  khám phá hệ vi sinh vật như nguồn thuốc mới, liệu pháp điều trị hoặc chất bổ sung.  Microbiota Vault  là một tập đoàn quốc tế hoạt động để bảo tồn  tính đa dạng hiện có theo cách tương tự như Svalbard Seed Vault bảo vệ tính đa dạng thực vật. TMI rất vinh dự khi được là thành viên của liên minh.

Theo quan điểm của các phương pháp điều trị y tế được thông báo bởi hoặc bắt nguồn từ nghiên cứu hệ vi sinh vật, mục tiêu cuối cùng là y học chính xác, được cá nhân hóa cao. Tuy nhiên, thực tế là hệ vi sinh vật có thể thay đổi rất nhiều từ cá nhân này sang cá nhân khác có nghĩa là việc tiếp cận loại ứng dụng này có thể sẽ dựa vào lượng dữ liệu khổng lồ và các công nghệ mới như AI để giúp giải mã thông tin đó. Các nghiên cứu về dân số lớn vừa phong phú vừa đa dạng, như nghiên cứu mà chúng tôi đang xây dựng với Sáng kiến ​​Microsetta, sẽ rất quan trọng đối với các loại phương pháp tiếp cận này.

Sáng kiến ​​Microsetta liên quan đến sự hợp tác với nhiều tổ chức và nhà nghiên cứu khác nhau. Những sự hợp tác này nâng cao phạm vi và tác động của nghiên cứu của bạn như thế nào?

Mỗi sự hợp tác đều độc đáo và bổ ích theo cách riêng của nó, nhưng một trong những chủ đề bao quát là nó kết nối chúng ta với các nhóm dân số cụ thể có thể chưa được đại diện đầy đủ trong tập dữ liệu hiện có của chúng ta. Và trong nhiều trường hợp, nghiên cứu tập trung vào lâm sàng hoặc được thiết kế để hiểu hoặc giải quyết một vấn đề thực tế. Các sự hợp tác khác giúp chúng ta tiếp cận các nhóm dân số nước ngoài bằng cách thu hẹp khoảng cách hậu cần và văn hóa liên quan.

Ví dụ, thông qua một nghiên cứu do Danone tài trợ và hợp tác với các tổ chức địa phương, gần đây chúng tôi đã có thể nghiên cứu các nhóm ở Vương quốc Anh, Mexico, Tây Ban Nha và Nhật Bản và so sánh dữ liệu đó với dữ liệu chúng tôi thu thập được từ những người tham gia ở Hoa Kỳ. Trong mọi trường hợp, dữ liệu được thu thập và tạo ra theo một giao thức chung, điều đó có nghĩa là với mỗi nghiên cứu được thêm vào, tập dữ liệu tổng thể trở nên mạnh mẽ hơn nhiều trong việc phát hiện các mối liên hệ phức tạp. Nó cũng trở thành một nguồn tài nguyên phong phú hơn cho cộng đồng nghiên cứu để có thể lựa chọn từ nhiều tiêu chí khác nhau để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu của họ.

Sự tham gia của công chúng là yếu tố chính của Sáng kiến ​​Microsetta. Bạn tương tác với công chúng như thế nào và các nhà khoa học công dân đóng vai trò gì trong nghiên cứu của bạn?

Với sự khởi đầu và bản chất huy động vốn từ cộng đồng của Sáng kiến ​​Microsetta, sự tham gia của công chúng không chỉ là yếu tố chính mà còn là nền tảng cho công việc của chúng tôi. Mặc dù chúng tôi thỉnh thoảng tuyển dụng các nhóm mục tiêu và tiến hành các nghiên cứu tập trung với các cộng tác viên, nhưng chúng tôi gần như không thể đạt được sự tham gia trên diện rộng nếu không có mọi người khám phá ra dự án của chúng tôi và chủ động đóng góp.

Chúng tôi đặc biệt biết ơn những người ủng hộ nhiệt thành nhất của mình, những người không chỉ tham gia vào dự án mà còn truyền bá dự án cho bạn bè và gia đình của họ. Mặc dù cơ chế hàng ngày của nghiên cứu hệ vi sinh vật đôi khi có thể giống như một công việc nặng nhọc, nhưng thật sảng khoái và bổ ích khi thấy rằng có những người thực sự hào hứng với công việc chúng tôi làm.

Đối với chúng tôi, sự tham gia của công chúng được xây dựng dựa trên các nguyên tắc giáo dục, tính nghiêm ngặt khoa học và cải tiến liên tục:

• Giáo dục – Chúng tôi cam kết chia sẻ những phát hiện của mình với các nhà nghiên cứu khác và công chúng nói chung. Nhưng quan trọng là chúng tôi cố gắng làm cho thông tin dễ tiếp cận và dễ hiểu đối với càng nhiều đối tượng càng tốt.
• Sự nghiêm ngặt về khoa học – Các lĩnh vực nghiên cứu mới nổi thường là mảnh đất màu mỡ cho những tuyên bố thú vị. Và trong khi chúng tôi hy vọng rằng công trình của mình sẽ dẫn đến những khám phá có tác động đến sức khỏe con người, chúng tôi đảm bảo rằng mọi thứ chúng tôi chia sẻ với những người tham gia đều được hỗ trợ tốt bởi bằng chứng khoa học.
• Cải tiến liên tục – Nghiên cứu về hệ vi sinh vật là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng và việc giao tiếp của chúng tôi với những người tham gia phản ánh điều đó.

Bất cứ khi nào chúng tôi phát triển các phân tích mới hoặc cải thiện báo cáo mẫu vi sinh vật, chúng tôi đều chia sẻ những thay đổi đó với những người tham gia trước đây và áp dụng các tính năng mới vào dữ liệu của họ, ngay cả khi họ đã đóng góp mẫu của mình cách đây vài năm.

Một số thách thức chính mà bạn gặp phải khi tiến hành nghiên cứu trong Sáng kiến ​​Microsetta là gì và bạn giải quyết chúng như thế nào?

Quản lý kỳ vọng của người tham gia là một thách thức thường gặp. Trong nhiều năm qua, hệ vi sinh vật và mối quan hệ của chúng với sức khỏe đã chuyển từ một lĩnh vực nghiên cứu thành một khái niệm được thảo luận phổ biến. Tuy nhiên, giống như nhiều lĩnh vực khoa học mới nổi đi vào nhận thức của công chúng, sự phổ biến của hệ vi sinh vật đã làm nảy sinh cả sự hiểu lầm và thông tin sai lệch.

Một trong những vấn đề phổ biến nhất là mọi người nghĩ rằng việc đo thành phần vi khuẩn của một mẫu nhất định có thể đưa ra lời khuyên hữu ích. Trong nhiều trường hợp, điều này xuất phát từ một nơi hy vọng mà chúng tôi rất đồng cảm. Mọi người liên hệ với chúng tôi vì họ có các vấn đề sức khỏe đường ruột lâu năm hoặc các tình trạng mà bác sĩ của họ không thể giải quyết được và họ hy vọng sẽ khám phá ra một viên đạn bạc vi khuẩn, cho dù đó là loại bỏ một số vi khuẩn khỏi đường ruột của họ hay khuyến khích một loại khác phát triển.

Thật không may, đối với hầu hết các tình trạng, cách tiếp cận đó hiện không được nghiên cứu khoa học hỗ trợ. Hệ vi sinh vật của con người là hệ sinh thái cực kỳ phức tạp mà các thành phần hiếm khi hoàn toàn “tốt” hay “xấu”. Một loại vi khuẩn nhất định có thể có lợi trong một số bối cảnh nhưng lại có hại trong những bối cảnh khác.

Mặc dù chúng tôi hy vọng một ngày nào đó sẽ đạt đến điểm mà y học chính xác dựa trên hệ vi sinh vật là một con đường thực tế, nhưng chúng tôi vẫn chưa đạt được. Chúng tôi cố gắng điều chỉnh kỳ vọng bằng cách minh bạch về những gì họ sẽ tìm hiểu về hệ vi sinh vật của họ và không hứa hẹn quá mức về kết quả hoặc vượt quá những gì chúng có thể có nghĩa.

Mặc dù điều này đôi khi dẫn đến cảm giác thất vọng ban đầu, hầu hết những người tham gia vẫn hào hứng tìm hiểu thêm về hệ vi sinh vật của họ và biết rằng họ đang giúp thúc đẩy lĩnh vực này tiến lên. Cơ hội cung cấp giáo dục và tiếp cận trong khi thực hiện nghiên cứu của chúng tôi mang lại một loại sự làm giàu cộng sinh cho cả người tham gia và các nhà nghiên cứu.

Ông dự kiến ​​Sáng kiến ​​Microsetta sẽ có những định hướng hoặc mở rộng nào trong những năm tới?

Chúng tôi rất vui mừng khi tiếp tục mở rộng nền tảng của mình để mở rộng hỗ trợ cho nghiên cứu về hệ vi sinh vật. Chương trình nghiên cứu mới nhất được hỗ trợ bởi nền tảng của chúng tôi là Sáng kiến ​​về hệ vi sinh vật da, nhằm mục đích xây dựng một kho lưu trữ dữ liệu công khai lớn về hệ vi sinh vật da. Nghiên cứu thí điểm, được tài trợ bởi L’Oréal Research & Innovation, sẽ tuyển dụng hơn 2350 người tham gia trong ba năm tới, nhưng Sáng kiến ​​này cũng có kế hoạch mở rộng để mọi người tham gia.

Nhìn xa hơn vào tương lai, chúng tôi muốn mở rộng nghiên cứu của mình cho cư dân của các quốc gia khác. Các tập dữ liệu về hệ vi sinh vật được biết là có xu hướng thiên về dân số châu Âu và Bắc Mỹ, nhưng phần lớn sự đa dạng của hệ vi sinh vật lại nằm trong các dân số khác.

Thu thập dữ liệu về hệ vi sinh vật từ nhiều nhóm dân số khác nhau là một trong những mục tiêu cơ bản của Sáng kiến ​​Microsetta, và việc mở rộng ra quốc tế là một thành phần quan trọng của sáng kiến ​​đó. Mặc dù có những thách thức về mặt hậu cần cần cân nhắc, nghiên cứu và các công nghệ hỗ trợ của nó đều được xây dựng với mục tiêu quốc tế hóa.

Chúng tôi liên tục tìm kiếm những cộng tác viên mới để giúp đa dạng hóa dự án và mở rộng phạm vi tiếp cận. Chúng tôi khuyến khích các tổ chức liên hệ và khám phá những cách thức cùng có lợi để chúng ta có thể hợp tác. Các công ty mang đến các nguồn lực giúp chúng tôi vượt qua những thách thức về hậu cần trong khi họ được hưởng lợi từ việc tận dụng chuyên môn và cơ sở hạ tầng của chúng tôi để đẩy nhanh quá trình nghiên cứu.

Đồng thời, chúng tôi thường xuyên làm việc với các nhà nghiên cứu học thuật về các nghiên cứu có mục tiêu cao. Nền tảng của chúng tôi cho phép bất kỳ nhóm nào tiến hành các nghiên cứu nhóm hiệu quả và có tác động, và những sự hợp tác này là một phần không thể thiếu trong sự phát triển của dự án.

Bạn thấy khía cạnh nào của việc lãnh đạo Sáng kiến ​​Microsetta bổ ích nhất và nó ảnh hưởng đến quan điểm của bạn về nghiên cứu hệ vi sinh vật như thế nào?

Phần bổ ích nhất khi dẫn dắt dự án này là làm việc với những người thực sự đam mê khoa học và công việc đang được thực hiện. Điều này bao gồm mọi người từ nhóm tiếp cận và truyền thông đến nhóm xử lý mẫu và các nhà phân tích dữ liệu, và điều này đã cho phép dự án này tiến triển và cải thiện trong khi vẫn tiếp tục dựa trên khoa học tốt—và bạn lưu ý, điều này không có loại nguồn lực mà các công ty tư nhân có.

Mặt khác, tôi thích nghe những người ủng hộ hào hứng với nghiên cứu và thường có những câu hỏi sâu sắc. Dự án này là lời nhắc nhở liên tục với tôi về tầm quan trọng của việc không chỉ thực hiện nghiên cứu chất lượng mà còn phải dịch các phát hiện nghiên cứu một cách có trách nhiệm và theo những cách dễ hiểu.

Bạn đọc có thể tìm thêm thông tin ở đâu?

• Trang web của chúng tôi: https://microsetta.ucsd.edu/
• Trang web gây quỹ cộng đồng của chúng tôi: https://fundrazr.com/microsetta
• Facebook: https://www.facebook.com/Microsetta/
• Twitter: https://x.com/microsetta
• Liên kết đến bài báo chính của chúng tôi: https://journals.asm.org/doi/10.1128/msystems.00031-18

Về Se Jin Song 

Với tư cách là Giám đốc Chương trình Nghiên cứu tại CMI, đơn vị quản lý Sáng kiến ​​Microsetta, vai trò của Se Jin là giúp thu hẹp khoảng cách giữa học viện và ngành công nghiệp, giám sát các dự án chung tận dụng kiến ​​thức và chuyên môn sâu rộng tại UC San Diego hướng tới các ứng dụng trong thế giới thực. Chuyên môn của cô đến từ gần 15 năm trong lĩnh vực khoa học vi sinh vật, dẫn đầu các nghiên cứu từ vi khuẩn mà chúng ta chia sẻ với những người cùng chung sống, đến các mô hình thành phần vi sinh vật quy mô lớn trên động vật có xương sống, đến các giải pháp kỹ thuật cho các nghiên cứu về vi sinh vật, đến các dấu hiệu vi khuẩn liên quan đến lão hóa da. Cô đã có tên trong danh sách Nhà nghiên cứu được trích dẫn nhiều của Clarivate vào năm 2021, 2022 và 2023.