Câu chuyện về cha đẻ ngành vi sinh vật học

Nguồn gốc thuật ngữ “Microbiomes” hay câu chuyện về cha đẻ ngành vi sinh vật học 

Theo Hiệp hội Vi sinh học Hoa Kỳ (American Society of Microbiology)

Các cuộc thảo luận hiện về hệ sinh thái vi sinh vật có thể khiến bạn nghĩ rằng khái niệm về hệ sinh thái vi sinh là một khám phá tương đối mới. Tuy nhiên, bất chấp sự thật là công nghệ vi sinh gần đây mới có sự phát triển phát triển bứt phá, với giả thuyết  phổ biến là Joshua Lederberg, nhà vi sinh vật học đoạt giải Nobel là người đầu tiên đặt ra thuật ngữ “microbiome” vào năm 2001, nhiều cuộc tranh luận về điều này đã nổ ra.

Hình ảnh vi sinh vật (qua nuôi cấy trên môi trường thạch đĩa) trên tay một đứa trẻ sau khi chơi minh họa mối  liên hệ chặt chẽ của chúng ta với thế giới vi sinh vật bên trong chúng ta, trên chúng ta và xung quanh chúng ta. 

Nguồn: Tasha Sturm tại Cabrillo College thông qua ASM's MicrobeWorld

 Một lập luận cho rằng vì từ microbiome có nguồn gốc từ họ thuật ngữ 'omics', nên được sử dụng để mô tả bộ gen tập thể của các loài vi sinh vật được gọi là "hệ vi sinh vật". Mặc dù lập luận này nghe có vẻ hợp lý, nhưng từ microbiome thực sự không phải là một phái sinh của từ tố  'omics'. Người ta có thể tìm thấy những cách sử dụng cũ hơn. Ví dụ, vào năm 1988, Whipps và các đồng nghiệp đã sử dụng thuật ngữ microbiome để mô tả tập hợp các vi sinh vật và các hoạt động của chúng trong một môi trường nhất định. Họ cho rằng:

“Một khung sinh thái thuận tiện để kiểm tra các hệ thống kiểm soát sinh học là hệ thống vi sinh vật. Đây có thể được định nghĩa là một cộng đồng vi sinh vật đặc trưng, chiếm giữ một môi trường sống được xác định hợp lý, có các đặc tính hóa lý riêng biệt. Do đó, thuật ngữ này không chỉ đề cập đến các vi sinh vật có liên quan mà còn bao gồm hệ thống hoạt động của chúng ”. (Whipp, và cộng sự , 1988. Nấm trong các hệ thống kiểm soát sinh học . Nhà xuất bản Đại học Manchester.)

Thật vậy, "microbiome" là một từ ghép giữa vi sinh vật với quần thể sinh vật, mô tả hệ sinh thái vi sinh vật, cư dân và tất cả, chứ không chỉ bộ gen. Mặc dù thuật ngữ này tương đối mới so với vốn từ vựng khoa học của chúng ta, nhưng khái niệm cơ bản và tầm quan trọng của hoạt động của hệ vi sinh vật bắt nguồn từ sự khởi đầu của hệ sinh thái vi sinh vật và với những nghiên cứu của Sergei Winogradsky từ thế kỷ 19.

Sergei Nikolaievich Winogradsky (1856-1953),

Sergei Winogradsky sinh năm 1856 tại Kiev nước Nga. Ông có thành tích học tập xuất sắc, thậm chí còn nhận được huy chương vàng. Tuy nhiên, trong suốt thời gian học đại học, ông đã phải vật lộn để tìm ra mối quan tâm thực sự của mình. Sau một thời gian nghiên cứu về luật, rồi học piano, Winogradsky quyết định theo đuổi nghiên cứu sinh học. Ông khởi nghiệp trong phòng thí nghiệm của nhà thực vật học người Nga, Andrei Famintsyn, nghiên cứu về Mycoderma vini , được biết đến vào thời điểm đó là bệnh dịch trên củ cải đường và ngày nay được coi là nguyên nhân làm  hỏng rượu. Sau đó, dưới sự hướng dẫn của nhà thực vật học người Đức, Anton deBary, Winogradsky đã nghiên cứu sự phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn Beggiatoa.

Không có nhiều thông tin về loại vi khuẩn dạng sợi này vào thời điểm đó, ngoài khả năng tích tụ các hạt lưu huỳnh khi ở trong môi trường tự nhiên của chúng là các suối lưu huỳnh. Từ những nghiên cứu chuyên sâu, Winogradsky hình thành nền tảng hiểu biết cơ bản về hoạt động của một số vi sinh vật trong quá trình hoạt động của chúng. 

Trong thời gian làm việc tại Viện Bách khoa Thụy Sĩ ở Zurich, từ năm 1888-1891, Winogradsky bắt đầu cố gắng tổng hợp lại sự tham gia của vi sinh vật trong chu trình nitơ, cụ thể hơn là các bước của quá trình nitrat hóa (quá trình oxy hóa amoniac thành nitrit thành nitrat). Sau đó, ông tiếp tục công việc này tại Viện Y học Thực nghiệm Hoàng gia ở St.Petersburg với tư cách là Trưởng phòng Vi sinh vật  tổng hợp từ năm 1891-1905. Thông qua rất nhiều thử nghiệm và sai lầm, cộng với giả định sai lầm của ông rằng quá trình nitrat hóa xảy ra trong một bước duy nhất và bởi một vi sinh vật duy nhất, cuối cùng ông đã khám phá ra sự cân bằng giữa quá trình nitrat hóa hai bước và quá trình cố định nitơ.(quá trình đồng hóa nitơ từ khí quyển thành các hợp chất hữu cơ, ví dụ amoniac). Bằng cách bắt chước các điều kiện tự nhiên của đất, Winogradsky đã quan sát cách vi khuẩn trong khi nitrat hóa cần oxy (hiếu khí) có thể làm bình oxy xuống đến ngưỡng mà chất cố định nitơ yêu cầu (kỵ khí). Khám phá này nhấn mạnh sự liên kết giữa các vi sinh vật với nhau và sử dụng các sản phẩm của một con đường trao đổi chất này làm nền cho một con đường khác.

Cột Winogradsky ra đời sau phát hiện của Winogradsky với các mục đích (a) điều tra sự đa dạng trong trao đổi chất của VSV, (b) nghiên cứu sinh thái, (c) phân lập vi sinh vật, (d) xét nghiệm sinh học.

Nguồn: Mikrobiologie Praktikum Universität Kassel März 2007

Từ phát hiện này, Winogradsky đã lập luận về sự cần thiết phải nghiên cứu vi sinh vật trong bối cảnh tự nhiên của chúng. Do đó, việc thành lập hệ sinh thái vi sinh vật trở thành một phương thức nghiên cứu, nghiên cứu các vi sinh vật khi chúng tương tác với nhau và trong bối cảnh môi trường của chúng, cho dù đó là dưới nước, trên cạn, trong không khí, vật chủ sống hay hỗn hợp của bất kỳ loại nào trong số này.

Cột Winogradsky - một thiết bị nuôi cấy cho phép các nhà khoa học nghiên cứu vi khuẩn khi chúng tương tác với nhau trong môi trường tự nhiên - ra đời từ phát hiện này. Mặc dù cột Winogradsky thường được trang trí trong văn phòng của các nhà vi sinh vật học do sự thay đổi màu sắc hấp dẫn của chúng và ý nghĩa lịch sử đối với lĩnh vực này, nhưng các thiết bị này vẫn được sử dụng để phân lập vi khuẩn môi trường với các đặc điểm mong muốn và nghiên cứu về các cộng đồng sinh thái vi sinh, trong khi điều tra tác động của các hoạt động của con người lên các hệ sinh thái khác nhau. Nghiên cứu về quần thể vi sinh vật cũng sử dụng khái niệm sinh thái cơ bản này đến mức một số lượng lớn các nghiên cứu về quần thể vi sinh vật và môi trường vi sinh vật trước đây có thể được đổi tên thành công trình về quần thể vi sinh vật.

Tại sao điểm lại nguồn gốc ‘microbiome’ lại có ý nghĩa quan trọng? Đối với những người mới bắt đầu, điều quan trọng là phải biết lịch sử thực sự của nghiên cứu hệ vi sinh vật, bởi vì nó dẫn các nhà nghiên cứu đến với hàng loạt các kỹ thuật thống kê và phương pháp thử nghiệm đã được phát triển trong nhiều năm để giải quyết cụ thể các câu hỏi liên quan đến hệ vi sinh vật. Như Winogradsky đã chỉ ra một cách chính xác, vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy liên tục thì hoạt động khác với môi trường sống tự nhiên của nó. 

Các vi sinh vật hoạt động trong phòng thí nghiệm khác với hoạt động thực tế trong môi trường sống bản địa của chúng, điều này đã giới hạn sự hiểu biết của các nhà nghiên cứu về những gì xảy ra trong môi trường sống. Hệ sinh thái vi sinh vật đã có một lịch sử lâu dài để giải quyết thách thức này trong việc thu thập thông tin bằng cách nghiên cứu vi sinh vật trực tiếp trong môi trường tự nhiên của chúng, tái tạo các điều kiện tự nhiên trong các nghiên cứu có kiểm soát và bằng cách làm việc với các thiết bị nuôi cấy được phân lập từ môi trường thay vì được nhân giống liên tục trong phòng thí nghiệm. 

Điều quan trọng là phải nhận ra những điểm chung giữa các lĩnh vực dường như rất khác biệt trong vi sinh vật học. Nếu chúng ta xem hành tinh này như một bệnh nhân với các hệ thống trao đổi khí, phá vỡ và xây dựng các kho dự trữ năng lượng, loại bỏ và tái sử dụng các thành phần cũ thành các thành phần mới, cũng như các bệnh tật, thì các nghiên cứu về các quá trình này - vi sinh môi trường và hệ sinh thái vi sinh vật - là những cơ sở y tế tương đương để nghiên cứu giải phẫu và sinh lý của hành tinh. Cuối cùng, kiến ​​thức này cho biết về các chiến lược để duy trì và cải thiện sức khỏe hành tinh của chúng ta. Bạn sẽ không muốn đến gặp một bác sĩ không hiểu về giải phẫu hoặc sinh lý học của con người, cũng như bạn sẽ không thực hiện một phương pháp điều trị chưa được kiểm chứng cho một căn bệnh. Vì vậy, với môi trường toàn cầu, chúng ta cần hiểu cách hệ thống hoạt động để đề xuất các phương pháp có thể “chữa lành”, “điều trị” hoặc lý tưởng nhất là ngăn chặn thiệt hại. Một trong những kết quả thú vị nhất của nghiên cứu hệ vi sinh vật là cơ hội tăng cường mối quan hệ giữa các cực cách xa nhau của vi sinh vật học / y tế / môi trường / sinh thái, để công tác nghiên cứu và ứng dụng có thể được tăng cường và dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn cho tất cả mọi người.