Hệ VSV ở người lớn như thế nào?

Nó là cực lớn, xét theo mọi thước đo:  số lượng, tổng khối lượng, đa dạng loài và đa dạng di truyền.

Số lượng:

Hệ VSV người bao gồm khoảng 100 nghìn tỷ tế bào vi khuẩn. Đó là 100.000.000.000.000.000! Bạn có thể đã nghe nói rằng trong cơ thể người có số lượng tế bào vi sinh nhiều hơn 10 lần so với tế bào của con người, nhưng tỷ lệ thường được trích dẫn đó dựa trên ước tính có khoảng 10 nghìn tỷ tế bào trong cơ thể người. Nhưng theo ước tính mới nhất, cơ thể con người thực sự được tạo thành từ khoảng 37 nghìn tỷ tế bào người. Do đó, tại bất kỳ thời điểm nào, cơ thể người trung bình mang số lượng tế bào vi khuẩn nhiều hơn gấp 3 lần so với tế bào người. 

Nhưng hệ VSV không chỉ bao gồm vi khuẩn. Hãy nhớ rằng nó cũng bao gồm: virus, nấm, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn đơn bào. Có sự thống nhất chung rằng virus nhiều hơn số lượng tế bào vi khuẩn, với tỷ lệ 5:1. Người ta cho rằng số lượng tế bào nấm ít hơn khoảng 10 lần so với vi khuẩn. Tất cả những con số này đều là ước tính và bởi vì quần thể vi sinh là một cộng đồng năng động, những con số này có thể thay đổi trong những trường hợp khác nhau. Tuy nhiên, ở bất cứ phương diện nào thì hệ VSV ở người cũng là cực lớn!

Bạn và hệ vi sinh vật của mình

Tổng khối lượng:

Hệ VSV cũng chiếm lĩnh một không gian khá lớn. Mặc dù mỗi thành viên riêng lẻ là rất nhỏ, nhưng nhiều nhỏ góp lại thành to. Hầu hết các ước tính đều đưa trọng lượng của một hệ VSV trung bình của con người vào khoảng 2,5 pound (1133g). Về thể tích, tính tổng, hệ VSV sẽ chiếm khoảng 3 pints (1420 ml). 

Tuy nhiên, hãy nhớ rằng không phải tất cả hệ VSV đều được tập hợp ở một nơi và mật độ của các cộng đồng VSV khác nhau là rất khác nhau giữa các vị trí chúng chiếm lĩnh trong cơ thể. Máu và dịch bạch huyết thực tế là vô trùng, trong khi ruột và ruột kết chứa một trong những cộng đồng VSV dày đặc nhất được biết đến trên Trái đất. 

Các bề mặt bên trong của ruột và ruột kết của con người hết sức phức tạp. Nếu bạn làm phẳng toàn bộ bề mặt bên trong của ruột, nó sẽ có kích thước bằng một sân tennis (668,9 m²). Các cộng đồng VSV dày đặc bao phủ toàn bộ bề mặt và cũng lấp đầy không gian bên trong của ruột, hình thành một quần thể có mật độ dày đặc nhất thế giới.

Đa dạng loài:

Hệ VSV cũng rất đa dạng – một hệ VSV bình thường bao gồm khoảng một nghìn loài khác nhau. Nghĩ lại về môn sinh học thời phổ thông của mình, bạn có thể nhớ lại việc học về ba loại vi khuẩn cơ bản: hình que, hình cầu và hình xoắn ốc. Chắc chắn các nhà vi khuẩn học đã phát triển và sử dụng một hệ thống phân loại chi tiết hơn có tính đến sinh lý và chuyển hóa của vi khuẩn, nhưng cho đến khá gần đây, sự đa dạng của vi khuẩn được biết đến chỉ giới hạn trong khoảng 5.000 loài có thể được nuôi trong phòng thí nghiệm. 

Những tiến bộ công nghệ, đặc biệt là khả năng giải trình tự gene từ các mẫu môi trường, đã cho phép các nhà khoa học khám phá thế giới vi khuẩn ở độ sâu và độ phân giải lớn hơn rất nhiều. Các nhà khoa học hiện ước tính rằng có ít nhất một triệu loài vi khuẩn và trong thực tế có thể còn nhiều hơn nữa. Bởi vì vi khuẩn rất nhỏ và trông rất giống nhau dưới kính hiển vi, nên khó có thể biết được các loài vi khuẩn khác nhau như thế nào. Nhưng ở cấp độ bản thiết kế di truyền, thì sự khác nhau giữa các loài vi khuẩn cũng tương tự như việc con người chúng ta khác với loài giun đũa vậy.

Sự đa dạng phi thường của vi khuẩn bắt nguồn từ thực tế là chúng đã tiến hóa trong hơn 3,5 tỷ năm, trong thời gian đó chúng đã phát triển khả năng sống trong những môi trường hoàn toàn khác nhau. Giống như gấu Bắc Cực thích nghi với cái lạnh và xương rồng sống tốt ở sa mạc, các loại vi khuẩn khác nhau đã tự biến đổi để có thể “sống khỏe” trong hầu hết mọi môi trường trên Trái đất, bao gồm cả những nơi không có ánh sáng, hầu như không có nước và trong dải nhiệt độ từ dưới 0 đến gần 100 độ C. Vì những môi trường đó khác nhau quá lớn, nên có thể suy luận rằng những vi khuẩn này sẽ khác nhau như mật ong với đá vôi.

Trong sự đa dạng mênh mông đó, chỉ có một phần nhỏ thích nghi được để sống trong và trên da người. Vì vậy, trong khi hệ VSV của con người bao gồm cả 1000 loài thì chúng chỉ đại diện cho một tập hợp con nhỏ bé trong thế giới VSV trên Trái đất.

Sự đa dạng của các loài virus và nấm trong quần thể VSV của con người vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng như vi khuẩn, nhưng những quần thể này cũng bao gồm hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn loài khác nhau. Bacteriophage – virus lây nhiễm vi khuẩn  – thường thích nghi cao với các loài vi khuẩn chủ cụ thể, vì vậy có thể thành phần vi rút của quần thể vi sinh đa dạng hơn hoặc thậm chí nhiều hơn vi khuẩn.

Đa dạng di truyền:

Bộ gene người – tập hợp đầy đủ các bản thiết kế di truyền mà mỗi đứa trẻ được thừa hưởng từ cha mẹ – bao gồm khoảng 20.000 gene. Bộ gene chung của tất cả vi khuẩn, nấm và virus trong hệ VSV của một người, được cho là có khoảng 8.000.000 gene. Như vậy cứ mỗi gene của con người thì có tới 300 gene không phải của con người. Nếu bạn coi mỗi gene như một tập hợp các hướng dẫn để tạo ra một loại protein có thể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, thì điều này có nghĩa là hệ VSV cung cấp cho mỗi chúng ta một kho chứa năng lực di truyền khổng lồ mà không cần phải mã hóa bởi chính bộ gene của con người.

Điều này có ý nghĩa cụ thể gì? Hãy lấy ví dụ về quá trình tiêu hóa carbohydrate. Carbohydrate như đường và tinh bột là một loại hợp chất hóa học được tổng hợp bởi tất cả các sinh vật sống và chúng vô cùng đa dạng. Ví dụ, thực vật mà con người ăn có chứa carbohydrate với hàng nghìn cấu trúc hóa học khác nhau. Trong quá trình tiêu hóa, những carbohydrate đó được chia nhỏ thành những thành phần đơn giản nhất để cung cấp năng lượng cho chúng ta. Tuy nhiên, bộ gene của con người có chưa đến 20 enzym tiêu hóa carbohydrate. Do đó, các tế bào của con người không thể phân hủy hầu hết các loại carbohydrate mà chúng ta nạp vào. Trong khi đó, bộ gene của chỉ một loại vi khuẩn đường ruột – Bacteroides thetaiotaomicron – đã có hơn 260 loại enzym như vậy! Như vậy, bộ gene của con người chỉ là một vài cái cờ lê, mỏ lết trong khi B.thetaiotaomicron là cả một kho dụng cụ. Hàng trăm vi khuẩn đường ruột khác có gene cho nhiều enzym tiêu hóa carbohydrate hơn. Và các enzym tiêu hóa carbohydrate chỉ là một ví dụ nhỏ về các công cụ di truyền mà con người có thể tiếp cận thông qua hệ VSV.

Bộ gene của vi khuẩn có thể thay đổi nhanh chóng hơn rất nhiều so với bộ gene của con người. Các vi khuẩn có quan hệ họ hàng xa có thể trao đổi vật chất di truyền theo một số cách, cho phép các gene mang lại lợi thế chọn lọc trong một môi trường cụ thể lan truyền khắp các quần thể vi khuẩn hỗn hợp. Hiện tượng này giải thích lý do tại sao kháng kháng sinh là một vấn đề lớn như vậy. Nếu một vi khuẩn tiến hóa đề kháng với một loại thuốc kháng sinh, thì gene chịu trách nhiệm đó có thể được chuyển sang cho vi khuẩn khác, khiến chúng cũng kháng lại thuốc. Mặc dù tính kháng kháng sinh là một đặc điểm không mong muốn theo quan điểm của con người, nhưng khả năng chia sẻ gene của vi khuẩn có nghĩa là hệ VSV có thể thay đổi theo thời gian ở mức độ của các gene riêng lẻ, ngoài việc thay đổi hỗn hợp của các loài. Về mặt lý thuyết, bộ gene của hệ VSV có thể thay đổi nhanh hơn rất nhiều so với bộ gene của con người.

Một ví dụ về sự thích nghi như vậy là việc phát hiện ra gene tiêu hóa rong biển trong hệ VSV ở người Nhật Bản. Loại gene này hiếm khi được tìm thấy trong các quần thể VSV của những người sống bên ngoài nước Nhật. Nó từ đâu đến? Nó thường được tìm thấy trong các vi khuẩn trong môi trường ăn rong biển trong tự nhiên. Vào một thời điểm nào đó, một loại vi khuẩn có thể đi vào ruột của ai đó trên một mảnh rong biển và đã chuyển một số gene của nó sang một thành phần vi khuẩn bình thường trong hệ VSV của con người. Sở dĩ có hiện tượng này là vì rong biển vốn là một phần phổ biến trong chế độ ẩm thực của người Nhật và hiện là một phần có khả năng di truyền của hệ VSV ở người Nhật.

VSV nằm ở đâu, và nó đang làm gì?

Bất cứ nơi nào cơ thể con người tiếp xúc với thế giới bên ngoài đều có quần thể VSV. Điều đó có nghĩa là toàn bộ bề mặt của da và niêm mạc của đường mũi, phổi, đường tiêu hóa và niệu sinh dục đều là nơi cư trú của các cộng đồng VSV. Một số cộng đồng này cực kỳ dày đặc và những cộng đồng khác thưa thớt hơn. Và bởi vì điều kiện sống khác nhau ở những địa điểm khác nhau, nên không có gì ngạc nhiên khi mỗi nơi có một tập hợp VSV đặc trưng riêng. Những gì hệ VSV đang làm cũng thay đổi theo từng nơi và nhiều chức năng của nó vẫn chưa được hoàn thiện. Dưới đây là một số ví dụ về khu vực cư trú của cộng đồng VSV ở người:

Da:

Vi khuẩn sống ở tất cả các khu vực trên  bề mặt da, cũng như trong lỗ chân lông và tuyến mồ hôi, và dọc theo các sợi lông. Thành phần của hệ VSV trên da thay đổi tùy theo từng nơi, với những vùng khô như  cánh tay và chân có ít vi sinh hơn và khác với những vùng ẩm hoặc nhờn như nách hoặc nếp nhăn mũi. Có những dấu hiệu cho thấy một số vi khuẩn thường thấy trên da có thể giúp tránh xa mầm bệnh. Ví dụ, Staphylococcus epidermidis thường được tìm thấy trên da đã được chứng minh là tạo ra các hợp chất ức chế Staphylococcus aureus có liên quan đến nhiều bệnh ngoài da.

Miệng:

Khoảng 1000 loài VSV đã được tìm thấy trong miệng người, với bất kỳ cá nhân nào thì con số đó dao động  từ 100 đến 200 loài. Giống như da, miệng chứa nhiều VSV khác nhau bao gồm bề mặt răng, lưỡi, má trong và nướu. Hầu hết các môi trường sống này đều tiếp xúc với không khí, nhưng các túi ở nướu là nơi yếm khí, cho phép sự phát triển của vi khuẩn kỵ khí. Ranh giới giữa sức khỏe răng miệng với các bệnh như sâu răng và bệnh nha chu dường như phụ thuộc vào việc duy trì một cộng đồng vi khuẩn hoạt động tốt trong sự hòa hợp với hệ miễn dịch. Khi sự cân bằng này bị phá vỡ, các mầm bệnh sẽ giành được chỗ đứng.

Ruột:

Ruột là nơi được nghiên cứu kỹ nhất trong hệ VSV của người và nó chứa cộng đồng VSV lớn nhất, dày đặc nhất và đa dạng nhất trong cơ thể người. Trong thực tế, cộng đồng VSV trong ruột già của bạn – dao động từ 100 tỷ đến 1000 tỷ tế bào trên mỗi mililit – là một trong những hệ sinh thái VSV chen chúc nhất từng được quan sát thấy. Hệ VSV đường ruột hoạt động như một lò phản ứng sinh học hiệu quả cao, giúp chiết xuất năng lượng và chất dinh dưỡng từ thực phẩm mà chúng ta ăn. Giống như các cộng đồng VSV ở những nơi khác trên cơ thể, VSV đường ruột bảo vệ chống lại các mầm bệnh và liên lạc thường xuyên với hệ thống miễn dịch.

Hệ VSV đường ruột hết sức quan trọng vì có nhiều phản ứng hóa học được thực hiện bởi VSV. Các hợp chất mà con người không thể tự tiêu hóa lại có thể được phân hủy bởi vi khuẩn. Về mặt lý thuyết, khả năng này của VSV cho phép con người hưởng lợi từ nhiều loại thực phẩm hơn. Sự đa dạng trao đổi chất của VSV cũng có tác động đồng thời. Vi khuẩn đường ruột đã được phát hiện có ảnh hưởng đến sự chuyển hóa của một số loại thuốc, chẳng hạn như digoxin (một loại thuốc tim thường được sử dụng để điều trị rung tâm nhĩ) và acetaminophen (được sử dụng để điều trị đau và sốt). Một loại thuốc được sử dụng để điều trị ung thư đại trực tràng giai đoạn cuối, được gọi là irinotecan, hoặc CPT-11, thường được giải độc bởi gan, sẽ bị vi khuẩn đường ruột biến trở lại dạng hoạt động, nó gây chết tế bào trên diện rộng trong ruột và do đó gây tiêu chảy nghiêm trọng.

Hệ vi sinh đường ruột

Cuối cùng, hệ VSV đường ruột có những tác động phức tạp đến sự trao đổi chất của con người và những thay đổi trong thành phần của nó có liên quan đến một số bệnh bao gồm bệnh viêm ruột do vi khuẩn Clostridium difficile gây nhiễm trùng, rối loạn hệ miễn dịch, thậm chí cả bệnh tiểu đường và béo phì. Trong hầu hết các trường hợp, mối liên hệ giữa hệ VSV và những căn bệnh này chỉ là các quan hệ. Nhiều cơ chế cụ thể đã được chứng minh trên các mô hình động vật, nhưng người ta vẫn chưa biết cơ chế nào là quan trọng nhất ở người. Điều chắc chắn là các VSV trong ruột hoạt động cực kỳ hiệu quả về mặt trao đổi chất và nhiều hợp chất hóa học mà chúng tiết ra – được gọi là chất chuyển hóa – đi qua thành ruột vào máu và lưu thông khắp cơ thể. Có những chỉ dấu cho rằng hệ VSV đường ruột có thể ảnh hưởng đến mô hình giấc ngủ, tâm trạng và các hành vi khác. Một lần nữa, khoa học nghiên cứu vi sinh vẫn còn non trẻ, nhưng đã rõ một điều hệ VSV có nhiều tác dụng trên toàn bộ cơ thể.

Hệ VSV của mọi người có giống nhau không?

Có và không.

Hệ VSV của mỗi chúng ta thực hiện nhiều chức năng giống nhau, nhưng mọi việc không nhất thiết phải được thực hiện bởi các loài VSV giống nhau ở những người khác nhau. Ngoài ra, các loài thực hiện các chức năng khác nhau trong bất kỳ cá nhân cụ thể nào cũng có thể thay đổi theo thời gian. Tình hình cũng tương tự như bất kỳ hệ sinh thái nào khác. Hãy hình dung bạn đang bước vào một khu rừng, bạn sẽ thấy cây cối, lớp phủ mặt đất, chim, côn trùng và động vật ... Một khu rừng có những loại cây chủ đạo riêng như cây sồi hoặc cây thông, tuy nhiên các hốc sinh thái khác nhau tạo nên một khu rừng đều sẽ bị lấp đầy. Điều này cũng tương tự như mỗi thành phố đều có lính cứu hỏa, cảnh sát, tài xế xe buýt và người thu gom rác, nhưng sẽ có những cá nhân khác nhau đảm nhiệm những vai trò đó ở những thành phố khác nhau. Trong hệ VSV của con người, những chức năng rộng nhất định luôn được tìm thấy, nhưng không phải lúc nào chúng cũng được thực hiện bởi cùng một loài VSV. Một số chức năng khá cụ thể – ví dụ, khả năng chuyển hóa một loại thuốc cụ thể hoặc tiêu hóa một hợp chất ăn kiêng cụ thể – và những chức năng này không được tìm thấy ở tất cả mọi người hoặc mọi lúc.

Có phải mọi người đều có "dấu vân tay" VSV không?

Trong 5 năm đầu tiên của Dự án nghiên cứu hệ VSV ở người – chương trình nghiên cứu do Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ tài trợ – người ta đã kiểm tra các VSV của 242 cá nhân khỏe mạnh và ở các vị trí cơ thể khác nhau: 15 vị trí (nam) và 18 vị trí (nữ) và nhận thấy chúng khá đa dạng, từ cá nhân này sang cá nhân khác và từ vị trí cơ thể này sang vị trí cơ thể khác. Các nhà khoa học đã phát hiện ra điều gì?

▪ Có khá nhiều thay đổi từ người này sang người khác, nhưng hệ VSV của riêng từng người thì khá ổn định theo thời gian.

▪ Các VSV ở các vị trí khác nhau trên cơ thể là giống nhau ở tất cả mọi người. Do đó, hệ VSV trên da của bạn giống với hệ VSV trên da của người khác hơn là hệ VSV đường ruột của chính bạn.

▪ Khi các quần thể VSV được phân loại theo loài vi khuẩn thì chúng trông rất khác nhau ở từng người. Nếu chúng được phân loại theo sự hiện diện của các chức năng khác nhau – chẳng hạn như tiêu hóa các loại carbohydrate, tổng hợp vitamin hoặc phân hủy chất độc – thì chúng trông giống nhau hơn ở từng người.

Dự án Hệ VSV ở người tập trung vào các cá nhân khỏe mạnh với mục tiêu thiết lập mô tả cơ bản về một hệ VSV “bình thường”. Các nghiên cứu hiện nay đang bắt đầu xem xét liệu các chế phẩm vi sinh cụ thể có tương quan với các bệnh cụ thể hay không, nguy cơ bệnh tật và phản ứng với thuốc hoặc các phương pháp điều trị có khác hay không và khác như thế nào. Ngoài ra, các nghiên cứu về hệ VSV đang chuyển từ việc xác định “nó là gì” – tức là thành phần loài trong hệ VSV – sang “nó làm gì?”  – tức là hiểu được chức năng của từng loài.