Tin sinh học là bước đột phá đem lại những thay đổi trong các lĩnh vực y học phân tử, di truyền học so sánh, tiến hóa phân tử, ứng dụng di truyền vi sinh vật, nghiên cứu dược phẩm… và đặc biệt là lĩnh vực thực phẩm và dinh dưỡng.
Khoa học nói chung và sinh học nói riêng đều dựa trên nền tảng tri thức, trên sự kết nối tri thức của nhiều lĩnh vực khác nhau. Điều này càng đúng khi các công nghệ kết hợp với nhau sản sinh dữ liệu với tốc độ chóng mặt. Ví dụ, tính đến tháng giêng năm 2011, Uniprot Knowledgebase - kho thông tin protein có hơn 13,5 triệu mục. Đến tháng 6 năm 2013, GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/) – kho dữ liệu di truyền có đến gần 164 triệu hồ sơ gen và 110 triệu bộ mã di truyền. Với lượng dữ liệu lớn như vậy, cần phải nhờ đến máy tính để "thông dịch" và sàng lọc. Việc ứng dụng khoa học máy tính và thống kê để phân tích dữ liệu sinh học tạo nên lĩnh vực nghiên cứu mới có tên là tin sinh học (TSH) giúp thúc đẩy, cải thiện và đa dạng hóa các nghiên cứu sinh học.
TSH đã đem lại những thay đổi trong các lĩnh vực y học phân tử, di truyền học so sánh, tiến hóa phân tử, ứng dụng di truyền vi sinh vật, nghiên cứu dược phẩm… và đặc biệt là lĩnh vực thực phẩm và dinh dưỡng.
Ứng dụng tin sinh học
Cơ bản, TSH có thể định nghĩa là ứng dụng nguồn lực điện toán cho dữ liệu sinh học, chủ yếu liên quan tới các loại dữ liệu như chuỗi ADN, thành phần và cấu trúc protein. TSH đã được áp dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học đời sống, dưới đây là hai ứng dụng đáng chú ý nhất.
Di truyền học so sánh
| Nhiều tiến bộ quan trọng trong công nghệ di truyền cùng với sự cải thiện đáng kể về năng lực tính toán đã góp phần rất lớn cho những tiến bộ trong lĩnh vực di truyền học so sánh (DTHSS). Như tên gọi, DTHSS phân tích các điểm tương đồng và khác biệt giữa các hệ gen, cách tiếp cận này có thể tiết lộ thông tin về cấu trúc và kích thước hệ gen của | |  |
từng chủng loài, làm sáng tỏ các yếu tố di truyền, phương thức tiến hóa, thành phần gen liên quan đến mầm bệnh và khả năng thích nghi môi trường.
Thực tế hơn, DTHSS được áp dụng để làm suy yếu các dòng vi khuẩn trong các vắc-xin hiện có nhằm phát triển loại vắc-xin tốt hơn. Nhiều tác nhân gây bệnh có nguồn gốc từ thực phẩm lâu nay là đối tượng phân tích di truyền, và tất nhiên là đối tượng của DTHSS. Những nghiên cứu này được cho là có thể giúp phòng chống dịch bệnh cây trồng và ngộ độc thực phẩm, ngoài việc tăng sự hiểu biết về các quá trình và đặc tính quan trọng của cây trồng như chín muồi, tạo hương vị... Ngoài ra, DTHSS còn giúp xác định các gen liên quan đến việc tạo ra nhiên liệu sinh học, khả năng này đang được nhiều nơi nghiên cứu để đưa vào sản xuất.
Nghiên cứu dược phẩm
| TSH được xem là một nhân tố quan trọng trong quá trình nghiên cứu dược phẩm nhiều năm qua, giúp rút ngắn đáng kể thời gian của nhiều công đoạn bào chế thuốc. Nhờ dữ liệu di truyền dồi dào, người ta có thể khám phá các mục tiêu “công kích” mới cho thuốc, ước tính có khoảng 3.000 mục tiêu tiềm năng trong bộ gen người. Ngoài ra, TSH còn được sử dụng để nhận diện các hợp chất chì khi bào chế thuốc, có thể sàng lọc hàng ngàn hợp chất một cách nhanh chóng. |  |
Sự hiệu quả của TSH trong việc xác định mục tiêu và nhận diện chì là nhờ có các kho dữ liệu khổng lồ. Đặc biệt, ứng dụng thành công của TSH trong nghiên cứu dược phẩm có thể “chuyển giao” rất tốt cho lĩnh vực thực phẩm và dinh dưỡng.
Trong lĩnh vực thực phẩm
| Thực phẩm có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sức khỏe con người thông qua việc điều chỉnh các quá trình trao đổi chất, nội tiết tố... Hơn thế, vai trò của dinh dưỡng trong việc điều trị các bệnh mãn tính ngày càng được đánh giá cao. Khoa học thực phẩm gần đây đã có những bước phát triển quan trọng với nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ sinh học ‘omics’ (genomics, proteomics, metabolomics…). Tuy nhiên, các công nghệ mới đặt ra thách thức trong việc tích hợp và “phiên dịch” nhiều loại dữ liệu khác nhau, và TSH được xem là công cụ có thể giải quyết vấn đề này. |  |
Các công nghệ 'omics'
Cũng như nhiều lĩnh vực khác, nhu cầu ứng dụng TSH phần lớn bắt nguồn từ sự ra đời các công nghệ ‘omics’ có lượng dữ liệu lớn. Các công nghệ ‘omics’ như genomics (nghiên cứu gen), proteomics (nghiên cứu protein), metabolomics (nghiên cứu cơ chế chuyển hóa hay trao đổi chất), và gần đây là metagenomics (nghiên cứu hệ gen môi trường) đã góp phần tạo nên sự tích lũy dữ liệu sinh học đáng kể. TSH cũng thích hợp để quản lý và phân tích dữ liệu thu được từ những công nghệ như "foodomics" (nghiên cứu thực phẩm). Proteomics và TSH đã trở thành những lĩnh vực nghiên cứu gắn kết khắng khít, nổi lên như là những “đối tác” quan trọng của foodomics. Proteomics là công cụ vô giá cho phép nghiên cứu mật độ protein trong những thực phẩm thiết yếu, cũng như những sản phẩm liên quan. Áp dụng kết hợp proteomics và TSH cho phép phân tích một cách toàn diện hơn các hỗn hợp protein (bao gồm chức năng) của thực phẩm, và cho phép phát triển các phương pháp mới xác định đặc tính của các vi sinh vật có nguồn gốc thực phẩm.
Trong lĩnh vực metabolomics nghiên cứu toàn bộ hay phần lớn quá trình chuyển hóa của tế bào, TSH cũng là công cụ sáng giá để quản lý, sàng lọc và phân tích các dữ liệu chuyển hóa. Ngoài phần mềm, TSH còn được áp dụng một cách trực tiếp như phát hiện các chất chuyển hóa liên quan đến bệnh tiểu đường. Gần đây, TSH còn giúp đưa metabolomics vào ứng dụng nghiên cứu tương quan hệ gen (Genome-wide Association Study - GWAS), trong đó tỷ lệ chuyển hóa được sử dụng kết hợp với nucleotide đa hình (Single Nucleotide Polymorphisms - SNP) để xác định các biến thể gen có liên quan đến một số đặc điểm trao đổi chất.
Peptit hoạt tính sinh học
| Giờ đây người ta biết rằng nhiều peptit (kết hợp của 2 hay nhiều axit amin) thực phẩm còn có những chức năng khác ngoài dinh dưỡng. Vì vậy, cả giới nghiên cứu lẫn thương mại đều quan tâm đến việc sử dụng các loại thực phẩm làm giàu peptit hoạt tính sinh học để tăng cường sức khỏe và giảm bớt thuốc men. Đa phần, các peptit hoạt | |  |
tính sinh học có nguồn gốc từ thực phẩm được sinh ra từ chính protein hoặc từ quá trình lên men hay thông qua hoạt động của các enzym tiêu hóa hay phân giải protein khác. Tuy đã có nhiều phương pháp phát hiện peptit, nhưng TSH tỏ ra vượt trội.
Mặc dù được thiết kế cho mục đích tổng quát nhưng một số phương pháp phát hiện peptit hoạt tính sinh học lại đặc biệt thành công với các nguồn thực phẩm, ví dụ như các phương pháp dùng máy tính để tìm peptit kháng khuẩn. Một số phương pháp dựa trên sự tương đồng chuỗi di truyền để xác định các peptit trong thịt gà, trong khi một số khác sử dụng mối quan hệ tiến hóa, kết hợp với phân tích ức chế bằng máy tính để phát triển công cụ phát hiện các peptit ức chế ACE (angiotensin-converting enzyme, gây co thắt mạch máu và tăng huyết áp).
Các mô hình QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship, một dạng mô hình hồi quy) cũng được sử dụng để dự đoán sự hiện diện peptit hoạt tính sinh học, đặc biệt là các peptit chống huyết khối trong trứng. Gần đây, bằng cách sử dụng kết hợp TSH và proteomics, một số peptit hoạt tính sinh học có các đặc tính như chống oxy hóa, ngăn tế bào ưng thư phát triển và ngừa bệnh tim mạch, đã được cô lập ở cá trích. Trong việc phát hiện peptit hoạt tính sinh học từ protein thực phẩm, kỹ thuật máy học (trí tuệ nhân tạo) tỏ ra xuất sắc. Máy học cũng được sử dụng để phát triển phần mềm chỉ ra trong danh sách peptit có sẵn những peptit nào tương đồng với peptit hoạt tính sinh học.
Chất lượng, hương vị và an toàn thực phẩm
TSH cũng tác động đến khoa học thực phẩm và dinh dưỡng theo cách thực dụng hơn, trong các vấn đề như chất lượng, hương vị và an toàn thực phẩm. Liên quan đến mùi vị, TSH có vai trò quan trọng trong việc xác định lịch sử tiến hóa của các thụ thể đối với các vị khác nhau. Nhiều nghiên cứu GWAS cũng đã được thực hiện với thụ cảm vị giác, và lập được liên kết giữa thụ cảm vị đắng với điều tiết đường. Gần đây còn có các cơ sở dữ liệu cung cấp thông tin chi tiết về các đặc tính hóa học liên quan đến mùi vị và hương vị của các hợp chất khác nhau. Ngoài ra, các thuật toán TSH còn được sử dụng để đối chiếu sự tương đồng giữa thụ cảm vị ngọt với thụ cảm axit glutamic (có chức năng truyền tín hiệu) ở não. Cuối cùng, thông qua việc nghiên cứu gen của vi khuẩn axit lactic (tạo mùi vị của thực phẩm lên men), người ta có thể xác định khả năng hình thành mùi vị cụ thể nào đó.
Khi mà nhiều mầm bệnh có nguồn gốc thực phẩm lọt vào tầm ngắm của các dự án giải mã gen, khả năng của TSH trong việc giải quyết vấn đề chất lượng và an toàn thực phẩm càng được đánh giá cao. Ví dụ như công cụ TSH nhận diện tác nhân gây bệnh thực phẩm do vi khuẩn gần đây của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm của Mỹ (FDA).
Phát hiện chất gây dị ứng
Các chất gây dị ứng có nguồn gốc đa dạng khá giống nhau về mặt di truyền, thường tạo nên những phản ứng có thể “cân đo” nên không có gì ngạc nhiên khi TSH trở thành công cụ ngày càng quan trọng trong việc nghiên cứu dị ứng thực phẩm. Hiện có nhiều cơ sở dữ liệu chuyên về chất gây dị ứng, đặc biệt liên quan đến thực phẩm, ví dụ như AllerMatch, Informall, FARRP và SDAP, đây là nền tảng rất tốt cho ứng dụng TSH.
Phương pháp tìm kiếm sự tương đồng bằng TSH thường được thực hiện để xác định khả năng gây dị ứng và đối kháng protein. Hiệu quả của cách tiếp cận này đã buộc Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đưa TSH vào hướng dẫn đánh giá tính gây dị ứng của thực phẩm biến đổi gen.
Vi sinh tiêu hóa
Sự hiểu biết thấu đáo các hệ vi khuẩn đa dạng hiện diện trong đường tiêu hóa (của con người) chịu trách nhiệm về chức năng đường ruột và khả năng đề kháng bệnh tật, đã dẫn đến việc tiếp thị ồn ào các loại thực phẩm vi sinh tiêu hóa. Tương tự như các lĩnh vực đề cập ở trên, thời đại di truyền đã thúc đẩy mạnh mẽ việc ứng dụng TSH trong nghiên cứu vi sinh tiêu hóa. Ví dụ, việc giải mã gen của vi khuẩn đường ruột giúp xác định các gen có khả năng tham gia vào phản ứng tiêu hóa ở môi trường đường ruột. Kết hợp quang phổ học và các công nghệ phân tử, các ứng dụng TSH gần đây cho phép nghiên cứu vi khuẩn đường ruột để cung cấp cái nhìn thấu đáo về các chất chuyển hóa hiện diện do tương tác ký chủ.
Tương tự, tiền sinh chất (prebiotic nguồn thức ăn lợi khuẩn) là lĩnh vực hiện rất được quan tâm do những lợi ích liên quan đến sức khỏe, như kìm chế ung thư, béo phì và giảm cholesterol. Dù vậy, có rất ít nghiên cứu TSH chuyên về tiền sinh chất, hầu hết nghiên cứu chung với lợi khuẩn.
Nghiên cứu thực phẩm và dinh dưỡng đang trở nên dồi dào dữ liệu với sự xuất hiện ngày càng nhiều các công nghệ "omics". Ứng dụng kết hợp công nghệ thông tin và sinh học cho phép nghiên cứu và phân tích khối lượng dữ liệu đồ sộ để đem lại lợi ích cho con người.
P. NGUYỄN, STINFO Số 11/2013