Phân tích dữ liệu metagenomic từ tu hài (Lutraria phylippinarum) bị nhiễm bệnh sưng vòi ở vùng nuôi tu hài Cát Bà, Việt Nam

16/08/2021
Tu hài (Lutraria phylippinarum) là loài thuỷ sản hai mảnh vỏ nuôi có giá trị cao về dinh dưỡng cũng như về kinh tế. Từ năm 2010, nghề nuôi tu hài ở Việt Nam phát triển mạnh, đặc biệt ở các tỉnh Quảng Ninh, Hải Phòng và Khánh Hoà. Tuy nhiên từ cuối năm 2011, hiện tượng tu hài chết xảy ra trên diện rộng với tỷ lệ chết lên đến 100% ở hầu hết các vùng nuôi tu hài như Cát Bà, Vân Đồn, Cam Ranh, gây thiệt hại lớn. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã chỉ đạo Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản 1 thực hiện các đề tài nhằm nghiên cứu dịch bệnh và xác định tác nhân gây bệnh. Các kết quả nghiên cứu mô bệnh học và kính hiển vi điện tử đã cho thấy sự biến đổi cấu trúc đại thể và vi thể của một số tổ chức mô và sự hiện diện của mầm bệnh như sau: 1) Mô mang, mô màng áo, mô gan và mô cơ vòi của tu hài chết với biểu hiện sưng vòi có hiện tượng hoại tử; 2) Mô mang và mô cơ vòi có hiện tượng nhiễm khuẩn; 3) Mô mang xuất hiện dạng thể vùi giống virus; 4) Mô cơ vòi xuất hiện cấu trúc vi sinh vật dạng virus-like ký sinh trong bào tương và vách tế bào vòi với kích thước khoảng 70-110nm x 600-1000nm gọi tắt là VLPs (Phan Thị Vân và cs., 2013). Tuy nhiên cấu trúc VLP chưa thể phân lập, nuôi cấy riêng biệt nên khó có thể nghiên cứu bằng phương pháp thông thường. Do đó, chưa có những bằng chứng cụ thể khẳng định tác nhân gây bệnh sưng vòi trên tu hài.
Từ vấn đề thực tiễn trên, Viện Nghiên cứu hệ gen đã hợp tác với Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thủy sản I cùng các chuyên gia Nhật Bản trong lĩnh vực Tin sinh học đến từ Đại học Ochanomizu, Đại học Tohoku, Viện Nghiên cứu Công nghệ và Khoa học sinh học Nagahama đề xuất Đề tài hợp tác quốc tế JSPS-VAST: “Phân tích metagenomic nhằm xác định virus gây bệnh sưng vòi trên tu hài (Lutraria phylippinarum) nuôi tại Việt Nam”. Đề tài đã được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt với mã số VAST.HTQT.NHATBAN.02/17-19, giao cho Viện Nghiên cứu hệ gen chủ trì, thực hiện từ năm 2017 đến năm 2020, chủ nhiệm là TS. Kim Thị Phương Oanh. Ngày 26 tháng 1 năm 2021, Hội đồng nghiệm thu nhiệm vụ hợp tác quốc tế (HTQT) cấp Viện Hàn lâm KHCNVN đã nghiệm thu và đánh giá đề tài đạt loại xuất sắc.
 
Metagenomics là công cụ đã được sử dụng hiệu quả nhằm nghiên cứu vi sinh vật gây bệnh và đa dạng hệ vi sinh vật. Có nhiều loài virus mới gây bệnh cho các sinh vật biển được phát hiện bằng phương pháp này. Song song với công nghệ giải trình tự thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing), nhiều phương pháp phân tích và phần mềm tin sinh học được phát triển nhằm phân tích hệ metagenome và hệ gen của các loại virus làm cho việc nghiên cứu được hiệu quả hơn. Mục tiêu của nhiệm vụ HTQT là nghiên cứu các phương pháp tin sinh học phù hợp nhằm phân tích dữ liệu metagenomic từ tu hài bị nhiễm bệnh sưng vòi, từ đó xác định được tác nhân gây bệnh sưng vòi trên tu hài nuôi tại Việt Nam. Ngoài ra, thông qua hợp tác với đối tác nước ngoài để nâng cao trình độ trong lĩnh vực tin sinh học của các cán bộ tham gia đề tài.
 
Để đạt được mục tiêu này, đề tài đã thực hiện ba nội dung chính bao gồm : 1) Chuẩn bị cơ sở dữ liệu metagenomes của tu hài bị nhiễm bệnh sưng vòi. Dữ liệu trình tự giải mã từ hệ thống của Illumina sẽ được thu thập từ nghiên cứu hợp tác giữa Viện Nghiên cứu hệ gen với Viện Nghiên cứu nuôi trồng Thuỷ sản I. Ngoài ra, phối hợp với phía đối tác Nhật Bản giải mã trên máy MinION (Oxford Nanopore) để có thêm dữ liệu phân tích; 2) Nghiên cứu xác định các phương pháp tin sinh học phù hợp nhằm phân tích dữ liệu metagenomic; 3) Phân tích dữ liệu metagenomic từ tu hài bị nhiễm bệnh sưng vòi nhằm xác định thành phần vi sinh vật trong mẫu bệnh và hướng tới xác định tác nhân gây bệnh. 
 
Giải mã và phân tích metagenome nhằm xác định tác nhân gây bệnh là một trong những phương pháp nghiên cứu mới, hiện đại và phù hợp với xu hướng nghiên cứu trên thế giới. Bệnh gây chết tu hài hàng loạt này mới chỉ được mô tả và xuất hiện ở Việt Nam, rất có thể tác nhân gây bệnh là một loài mới. Do vậy, việc định danh và phân loại loài là rất quan trọng.
 
Thực hiện ba nội dung nghiên cứu đã kể trên, đề tài đã thu được những kết quả chính như sau:
  • Metagenomes của tu hài nhiễm bệnh sưng vòi đã được giải mã bằng hệ thống NGS của Illumina và máy MinION của Oxford Nanopore. Kết quả giải mã cho thấy thư viện DNA được chuẩn bị bằng các phương pháp làm giàu virus đã loại được tỷ lệ lớn DNA của vật chủ so với phương pháp thông thường. Dữ liệu giải mã metagenome đã được đăng ký trên ngân hàng gen quốc tế DDBJ Sequence Read Archive với mã số DRA008913 và NCBI Sequence Read Archive với mã số SRR10717928. 
  • Hệ gen của vật chủ tu hài (Lutraria phylippinarum) đã xây giải mã bằng hệ thống NGS Illumina và MinIOn, sau đó hệ gen tu hài được lắp giáp và chú giải bằng cách phương pháp tin sinh học. Kích thước hệ gen tu hài được ước tính có kích thước khoảng 542 Mbp, được lắp ráp thành 2.405 scaffolds với giá trị N50 là 0,9 Mbp. Hệ gen tu hài dự đoán bao gồm 30.533 genes và được chú giải dựa trên dữ liệu transcriptome. Chất lượng của hệ gen tu hài tương đương với hệ gen đã được công bố cùng thời điểm đề tài hoàn thiện công việc.
  • Dữ liệu metagenome của tu hài nhiễm bệnh sưng vòi đã được phân tích bằng các phương pháp tin sinh học phù hợp. Thành phần vi sinh vật trong dịch lọc vòi tu hài nhiễm bệnh được xác định ở Bảng 1.

Bảng 1. Thành phần các loài sinh vật trong dữ liệu metagenome 
  • Phát hiện một hệ gen virus mới từ dữ liệu metagenomics của tu hài nhiễm bệnh. Đó là virus có hệ gen DNA sợi đơn (ssDNA), mạch vòng, thuộc ngành Cressdnaviricota (CRESS-DNA virus). Đây là virus mới được phát hiện đầu tiên trên tu hài, phân tích phát sinh chủng loại cho thấy nó khác xa với các CRESS-DNA virus ở trên các loài sinh vật khác. Cấu trúc hệ gen của CRESS-DNA virus mới được thể hiện ở Hình 1.
 
Hình 1: Cấu trúc hệ gen của CRESS-DNA virus mới phát hiện trên tu hài
A. Cấu trúc và kích thước Hệ gen mạch vòng DNA sợi đơn; 
B. Stem loop nằm giữa hai đầu 5’ của hai ORF, có chứa cấu trúc 9bp-motif (CAGTATTAC) bảo thủ
và đặc trưng cho cấu trúc của virus thuộc ngành Cressdnaviricota 
Đề tài đã lựa chọn các phương pháp phù hợp nhằm phân tích được dữ liệu metagenome từ tu hài nhiễm bệnh sưng vòi. Tuy chưa xác định được tác nhân gây bệnh, nhưng đây là những dữ liệu sinh học phân tử làm nền tảng cho những nghiên cứu sâu hơn nhằm xác định được nguyên nhân gây bệnh sưng vòi trên tu hài.

Hình 2: Khóa tập huấn Tin sinh học tại Viện Nghiên cứu hệ gen
 

Hình 3: Hội thảo “Omics Technology in Aquaculture” tại Viện Nghiên cứu hệ gen, Hà Nội

Hình 4: Hội thảo “Recent Activity in Marine Genome Biology” tại ĐH Ochanomizu, Tokyo, Nhật Bản

 
Ngoài ra, đề tài đào tạo thành công 01 nghiên cứu sinh về lĩnh vực tin sinh cho Viện Nghiên cứu hệ gen; tổ chức khóa tập huấn giới thiệu và thực hành các công cụ/ phương pháp Tin sinh học phân tích genome, transcriptome, metagenome (Hình 2); tổ chức thành công các hội thảo quốc tế ở cả Việt Nam và Nhật Bản về khoa học “Omics” (Hình 3, 4); đề tài có 01 bài báo đăng trên tạp chí trong danh mục SCI-E, 01 bài báo đăng trên tạp chí thuộc danh mục ESCI, 01 báo cáo tại Hội nghị toàn quốc. 
 
Nguồn tin: TS. Kim Thị Phương Oanh – Viện Nghiên cứu hệ gen 
Xử lý tin: Minh Tâm 


Tags:
Tin liên quan