Giải trình tự gen: Bẻ khóa mã di truyền cho bệnh do thực phẩm

Các công nghệ giải trình tự gen không thể giải trình tự toàn bộ bộ gen của thực phẩm cùng một lúc. Do đó, bộ gen phải được chia thành các đoạn DNA nhỏ hơn, được giải trình tự và sau đó gắn lại với nhau theo đúng thứ tự bằng cách sử dụng các phương pháp tiếp cận sinh học. Qua đó sẽ giúp bẻ khóa mã di truyền cho bệnh do thực phẩm. Cùng tìm hiểu bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về vấn đề này.

Xác định thứ tự của các khối cấu tạo DNA (nucleotide) trong mã di truyền của một cá nhân, được gọi là giải trình tự DNA (hay giải trình tự gen), đã giúp nâng tầm việc nghiên cứu về di truyền học và là một kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các rối loạn di truyền. Hai phương pháp chính của công đoạn giải trình tự gen bao gồm giải trình tự toàn bộ exome và giải trình tự toàn bộ bộ gen ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu và chăm sóc sức khỏe để xác định các biến thể di truyền. Cả hai phương pháp đều dựa vào công nghệ mới cho phép giải trình tự nhanh chóng một lượng lớn DNA. Những cách tiếp cận này được gọi là giải trình tự thế hệ tiếp theo.

Công nghệ giải trình tự ban đầu, được gọi là giải trình tự Sanger (được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát triển nó, Frederick Sanger), là một bước đột phá giúp các nhà khoa học xác định mã di truyền của con người, nhưng nó tốn nhiều thời gian và kinh phí chi ra cũng rất tốn kém. Phương pháp Sanger đã được tự động hóa để làm cho nó nhanh hơn và vẫn được sử dụng trong các phòng thí nghiệm ngày nay để giải trình tự các đoạn DNA ngắn, nhưng sẽ mất nhiều năm để giải trình tự tất cả DNA của một người (được gọi là bộ gen của người đó).

Giải trình tự gen thế hệ tiếp theo đã đẩy nhanh quá trình (chỉ mất vài ngày đến vài tuần để giải trình tự bộ gen người) và giảm đi nhiều chi phí. Với phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo, giờ đây việc giải trình tự một lượng lớn DNA là khả thi, chẳng hạn như tất cả các đoạn DNA của một cá nhân cung cấp hướng dẫn tạo ra protein. Những mảnh này, được gọi là exon, được cho là tạo nên 1 % bộ gen của một người. Cùng với nhau, tất cả các exon trong một bộ gen được gọi là exome, và phương pháp sắp xếp trình tự của chúng được gọi là giải trình tự toàn bộ exome. Phương pháp này cho phép xác định các biến thể trong vùng mã hóa protein của bất kỳ gen nào, thay vì chỉ trong một số gen được chọn.

Bởi vì hầu hết các đột biến đã biết gây bệnh xảy ra ở các exon, giải trình tự toàn bộ exome được cho là một phương pháp hiệu quả để xác định các đột biến có thể gây bệnh. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các biến thể DNA bên ngoài exon có thể ảnh hưởng đến hoạt động gen và sản xuất protein, đồng thời dẫn đến rối loạn di truyền - những biến thể mà toàn bộ trình tự exome sẽ bỏ lỡ.

Một phương pháp khác, được gọi là giải trình tự toàn bộ bộ gen, dựa trên việc xác định thứ tự của tất cả các nucleotit trong DNA của một cá thể và có thể xác định các biến thể trong bất kỳ phần nào của bộ gen. Trong khi nhiều thay đổi di truyền hơn có thể được xác định bằng giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen hơn so với giải trình tự gen chọn lọc, ý nghĩa của phần lớn thông tin này vẫn chưa được các nhà khoa học tìm ra.

Bởi vì không phải tất cả các thay đổi di truyền đều ảnh hưởng đến sức khỏe, rất khó để biết liệu các biến thể đã xác định có liên quan đến tình trạng sức khỏe đang quan tâm hay không. Đôi khi, một biến thể đã xác định có liên quan đến một rối loạn di truyền khác chưa được chẩn đoán (chúng được gọi là những đột biến ngẫu nhiên hoặc đột biến thứ phát). Ngoài việc được sử dụng trong các bệnh viện hoặc phòng khám liên quan đến di truyền, giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen là những phương pháp có giá trị cho các nhà nghiên cứu. Việc tiếp tục nghiên cứu trình tự gen và exome có thể giúp xác định xem liệu các biến thể di truyền mới có liên quan đến tình trạng sức khỏe hay không, điều này sẽ hỗ trợ rất nhiều trong việc chẩn đoán bệnh trong tương lai, đặc biệt là những loại bệnh hiếm gặp có liên quan đến di truyền.

Đối với những kẻ phạm tội thì các cán bộ điều tra, thám tử sử dụng bằng chứng DNA thu thập được từ hiện trường vụ án để truy tìm tên tội phạm. Hay đôi khi có một đợt bùng phát bệnh do thực phẩm gây ra khiến mọi người bị ốm và Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) sử dụng bằng chứng DNA để truy tìm vi khuẩn gây ra bệnh này. Nghe có vẻ xa vời và khó có thể xảy ra nhưng thực tế đã chứng minh được rằng FDA đã sử dụng một công nghệ tiên tiến, phức tạp được gọi là giải trình tự toàn bộ bộ gen để hỗ trợ điều tra các bệnh do thực phẩm gây ra. Nói một cách đơn giản nhất có thể, giải trình tự toàn bộ bộ gen là một cách nhanh chóng để tìm ra thứ tự của các nucleotide DNA, hoặc các base, trong một bộ gen như thứ tự As, Cs, Gs và Ts tạo nên DNA của tất cả các sinh vật sống. Bộ gen người được tạo thành từ gần 4 tỷ chữ cái di truyền này theo trình tự và Vi khuẩn có ít gen và chữ di truyền hơn. Khi xuất hiện vùng có bệnh, các nhà khoa học nghiên cứu bộ gen của vi khuẩn gây bệnh, gọi là mầm bệnh.

Trong thời gian gần đây nhất, giải trình tự toàn bộ bộ gen là một công cụ trong quá trình điều tra một đợt bùng phát đa trạng thái nhiễm khuẩn Listeria monocytogenes. Các nhà nghiên cứu đã giải trình tự và xác định một nguồn có khả năng gây bệnh trong đợt bùng phát này do rau đông lạnh có nguồn gốc từ CRF Frozen Foods của Pasco, Washington sản xuất. Cuộc điều tra của FDA đã bắt đầu vào giữa tháng Ba. Kathleen F. Gensheimer, MD, cho biết: “Một manh mối quan trọng đã xuất hiện khi Bộ Nông nghiệp Ohio cảnh báo chúng tôi về một mẫu sản phẩm thông thường mà họ tìm thấy vi khuẩn Listeria monocytogenes trong một nhãn hiệu cụ thể của ngô ngọt trắng hữu cơ đông lạnh và đậu xanh nhỏ hữu cơ đông lạnh,” Kathleen F. Gensheimer, MD. , MPH, Giám đốc Y tế và Giám đốc Mạng lưới Đánh giá và Ứng phó Dịch bùng phát Phối hợp của FDA (CORE). FDA đã làm việc với Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) và các bộ y tế và nông nghiệp của bang, sử dụng toàn bộ trình tự bộ gen để khớp với DNA thu được từ vi khuẩn Listeria monocytogenes được tìm thấy trong các mẫu thực phẩm do các nhà điều tra thu thập và DNA của vi khuẩn trong các mẫu lấy từ người người đã bị bệnh listeriosis. Sau khi kết quả được công khai, bắt đầu từ tháng 4, CRF Frozen Foods đã bắt đầu thu hồi và sau đó mở rộng việc thu hồi, bao gồm hàng trăm sản phẩm trái cây và rau quả đông lạnh được bán dưới 42 nhãn hiệu riêng biệt. Do các nhà nghiên cứu đã giải trình tự toàn bộ bộ gen cho thấy chủng vi khuẩn Listeria monocytogenes trong ngô đông lạnh có liên quan chặt chẽ về mặt di truyền với vi khuẩn được tìm thấy ở 7 người bị bệnh listeriosis (Nhiễm khuẩn Listeria). Bên cạnh đó, việc xác định trình tự cho thấy được mối quan hệ tương tự giữa vi khuẩn Listeria monocytogenes được tìm thấy trong đậu Hà Lan đông lạnh và vi khuẩn được tìm thấy ở người thứ tám cũng bị bệnh.

Ngoài ra, vi khuẩn được tìm thấy trong các mẫu do FDA lấy vào tháng 3 từ môi trường chế biến thực phẩm của một công ty khác có trụ sở tại Pasco, Công ty Khoai tây Oregon, được tìm thấy trùng khớp với vi khuẩn trong mẫu lấy từ những người bị bệnh. Dựa trên thông tin này, Công ty Khoai tây Oregon đã tự nguyện thu hồi các sản phẩm hành tây bán buôn, dẫn đến việc thu hồi thứ cấp các sản phẩm liên quan. Các mầm bệnh từ thực phẩm có hàng triệu bộ gen khác nhau, hoặc trình tự mã di truyền. Tiến sĩ Eric Brown, Giám đốc Bộ phận Vi sinh vật tại Trung tâm An toàn Thực phẩm và Dinh dưỡng Ứng dụng của FDA nói: “Ví dụ, hãy nghĩ về Salmonella như một bộ tộc gồm hàng ngàn mầm bệnh khác nhau. Mỗi thành viên của bộ tộc đó là duy nhất, cũng như mọi dấu vân tay là duy nhất. Theo cách tương tự, mỗi người là duy nhất. Brown cho biết: “Giải trình tự toàn bộ bộ gen giúp chúng ta bẻ khóa mã di truyền. Làm sao? Brown giải thích: “Một mầm bệnh có thể phát triển rất nhanh và bắt đầu có được các dấu hiệu di truyền độc đáo để xác định nó đến từ một vùng địa lý cụ thể. Bằng cách ghép nối thông tin bộ gen với thông tin địa lý, có thể thu hẹp phạm vi tìm kiếm nguồn nguyên liệu thực phẩm bị ô nhiễm. Điều này giúp cán bộ điều tra tăng tốc độ điều tra ổ dịch. Các nhà nghiên cứu có thể xác định thực phẩm hoặc thành phần gây ra bệnh tật và nguồn gốc của nó càng nhanh thì thành phần độc hại có thể được loại bỏ khỏi nguồn cung cấp thực phẩm càng nhanh - và càng có nhiều bệnh tật và tử vong có thể được ngăn chặn. Để thực hiện mục tiêu này, FDA đang dẫn đầu một nỗ lực quốc tế nhằm xây dựng một mạng lưới các phòng thí nghiệm có thể giải trình tự bộ gen của các mầm bệnh từ thực phẩm. Các phòng thí nghiệm có thể tải lên trình tự di truyền của mầm bệnh cũng như thông tin về nơi tập hợp mầm bệnh vào cơ sở dữ liệu có thể truy cập công khai, giúp tập trung và tăng tốc điều tra nguyên nhân gốc rễ của bệnh tật của Vi sinh vật học.

Việc giải trình tự toàn bộ bộ gen có thể làm được nhiều việc hơn là xác định nguồn gốc bùng phát dịch bệnh do thực phẩm với tốc độ và độ chính xác cao. Cụ thể hơn, FDA đang sử dụng nó để:

• Xác định bệnh nào là một phần của đợt bùng phát và bệnh nào không?
• Xác định thành phần nào trong thực phẩm nhiều thành phần là nguyên nhân gây ra sự bùng phát
• Phân biệt các nguồn ô nhiễm, ngay cả trong cùng một ổ dịch
• Liên kết một số lượng nhỏ bệnh tật, bao gồm cả những căn bệnh đa dạng về mặt địa lý xảy ra trên nhiều địa điểm.

Một khi vi khuẩn được giải trình tự, thông tin chung có thể được sử dụng vô thời hạn. "Bằng chứng" không được sử dụng hết và các nhà khoa học có thể tiếp tục so sánh các chủng từ nhiều năm trước. Brown cho biết FDA đang thúc đẩy toàn bộ công nghệ giải trình tự bộ gen lên hàng đầu về an toàn thực phẩm “nhanh nhất và đầy đủ nhất có thể”. Brown cho biết, ngành công nghiệp đang bắt đầu công nhận và sử dụng toàn bộ trình tự bộ gen như một cách để giám sát nguồn cung cấp nguyên liệu, xác định hiệu quả của các biện pháp kiểm soát vệ sinh và phòng ngừa, cũng như xác định sự tồn tại của mầm bệnh trong môi trường nhà máy. Nếu cơ sở sản xuất thực phẩm tìm thấy mầm bệnh trong quá trình kiểm tra, cơ sở đó có thể sử dụng cơ sở dữ liệu từ các cơ quan nghiên cứu để giúp xác định nguồn ô nhiễm vi khuẩn và thực hiện bất kỳ bước khắc phục nào cần thiết để đảm bảo thực phẩm mà họ sản xuất là an toàn để ăn. Allard cho biết thêm rằng FDA đang làm việc với các chuyên gia trong ngành công nghiệp thực phẩm có cùng chí hướng, những người đang kiểm tra giá trị của toàn bộ trình tự gen đối với an toàn thực phẩm khi họ làm việc để sản xuất thực phẩm an toàn nhất có thể.

Nếu có nhu cầu tư vấn và thăm khám tại các Bệnh viện Vinmec thuộc hệ thống Y tế trên toàn quốc, Quý khách vui lòng đặt lịch trên website để được phục vụ.

Nguồn tham khảo: medlineplus.gov, fda.gov