Probiotics: Lịch sử, Khoa học và Giải trình tự gen

Trong thế giới chăm sóc sức khỏe và ăn uống lành mạnh, mốt đến và đi, nhưng một số thứ sống vượt ra ngoài xu hướng. Lấy men vi sinh làm ví dụ. 

Probiotic là vi khuẩn sống và nấm men cung cấp cho cơ thể chúng ta vô số lợi ích. Đối với nhiều người trong chúng ta, lần đầu tiên chúng ta biết đến chế phẩm sinh học thông qua các quảng cáo sữa chua được người nổi tiếng chứng thực của những năm 80 và 90, nổi tiếng về cách chúng khiến bạn trở nên "thường xuyên". 

Trong những năm gần đây, thức uống trà lên men được gọi là kombucha đã trở thành một loại đồ uống cực kỳ phổ biến đối với người Mỹ, cũng như sữa chua uống kefir, cả hai đều giàu vi khuẩn tốt. Tất nhiên, bạn luôn có thể nhận được men vi sinh ở dạng viên nang hoặc gói. 

Rõ ràng là chế phẩm sinh học ở đây để tồn tại, nhưng chúng đến từ đâu? Trên thực tế, chế phẩm sinh học cũng lâu đời như chính nền văn minh. Chúng ta hãy khám phá lịch sử của chế phẩm sinh học như chúng ta biết và sự hiểu biết của chúng ta về chúng đã tiếp tục phát triển như thế nào ngày nay.

Lịch sử lên men

Lịch sử của chế phẩm sinh học đi đôi với lịch sử của nhân loại. Và trong khi chúng ta không phải lúc nào cũng hiểu chế phẩm sinh học theo cách chúng ta làm trong kỷ nguyên hiện đại, chúng ta đã tiêu thụ chúng trong nhiều thế kỷ, nhờ vào quá trình lên men.

Lên men là một quá trình hóa học trong đó các enzyme của vi sinh vật phá vỡ đường trong thực phẩm hoặc đồ uống. Quá trình enzyme này tạo ra các hợp chất mới như ethanol, axit lactic và carbon dioxide làm tăng thêm hương vị và kết cấu khác nhau cho thực phẩm. 

Ví dụ, men trong bột bánh mì sử dụng quá trình lên men để khai thác năng lượng từ glucose trong bột, tạo ra CO2 như một sản phẩm thải và dẫn đến bong bóng giúp bột nổi lên khi nướng. Sự thay đổi thành phần này cũng xảy ra trong phô mai, vì axit lactic tạo rahương vị và mùi thơm hấp dẫn rõ rệt .

Probiotics trong thời cổ đại

Con người đã lên men thực phẩm và đồ uống  của họtrong hơn 10.000 năm để bảo quản và cải thiện hương vị, mùi thơm và kết cấu. Gần như mọi nền văn minh đều có một loạt các phương pháp riêng: các nhà khảo cổ đã phát hiện ra hồ sơ về quá trình lên men ở Trung Quốc thời kỳ đồ đá mới vào khoảng năm 7000 trước Công nguyên, nơi đồ uống làm từ gạo lên men đặc biệt phổ biến. Trong Sáng thế ký của Kinh Thánh (18:1-8), Áp-ra-ham được cho là đã mang đến của lễ "thịt bê, bánh mì và sữa chua", cho thấy hương vị axit được tạo ra bởi axit lactic trong các sản phẩm sữa lên men. Người ta cũng nói rằng nhà tiên tri Muhammad đã cho những người leo núi Kavkaz kefir, một thức uống lên men giàu axit lactic.

Quá trình lên men cũng được thực hiện bởi người Sumer, một trong những người đầu tiên trồng trọt để làm thực phẩm. Trong các văn bản chữ hình nêm cổ từ khoảng năm 1800 trước Công nguyên, có những ghi chép về ngũ cốc được chuyển đến các nhà máy bia và thậm chí cả những bài thánh ca ca ngợi việc sản xuất bia. Hồ sơ cũng cho thấy người Sumer lên men sữa: trong tài khoản của một nông dân, người ta đề cập rằng anh ta đã có lợi nhuận tuyệt vời vào năm trước trong sữa, bơ và pho mát từ gia súc của mình.

Người Ai Cập cổ đại cũng được biết đến là người lên men thực phẩm, đặc biệt là thông qua việc nướng bánh mì bột chua. Bánh mì là một yếu tố chính trong chế độ ăn uống của mọi người Ai Cập, như được chứng minh bằng nhiều ghi chép từ các ngôi mộ và đền thờ mô tả quá trình thu thập và chế biến ngũ cốc để xay bột cho bánh mì. Bột này sẽ được sử dụng cho bột và nuôi cấy khởi động, được làm tự nhiên từ men trong không khí. Văn hóa này sẽ giúp bột nổi lên trước khi bánh được nướng, dẫn đến kết cấu thoáng mát, dai với nhiều hương vị.

Có lẽ ấn tượng nhất trong tất cả:  pho mát lâu đời nhất thế giới được tìm thấy trên một xác ướp từ năm 1615, trước Công nguyên ở sa mạc Taklamakan của Trung Quốc. 

Tuy nhiên, những điều kỳ diệu đằng sau quá trình lên men vẫn chưa thực sự được khám phá cho đến thế kỷ 20.

Khám phá ra lợi khuẩn

Probiotics lần đầu tiên được ghi nhận một cách khoa học vào năm 1907 khi nhà khoa học người Nga và người đoạt  giải NobelÉlie Metchnikoff nghiên cứu cư dân của dãy núi Kavkaz của Bulgaria. Ông bị mê hoặc bởi tỷ lệ người trăm tuổi cao (những người sống đến 100 tuổi trở lên) trong khu vực và quan sát thấy rằng dân làng trong khu vực thường xuyên uống một loại sữa chua lên men. 

Là một người cùng thời với Louis Pasteur, người đã xác định các vi sinh vật có công cụ lên men, Metchnikoff quan tâm đến ảnh hưởng của các vi sinh vật như vậy đối với sức khỏe con người. Kết quả là, ông đã nhanh chóng nghiên cứu các vi khuẩn mà ông có thể tìm thấy trong sữa chua mà những người dân làng này uống.

Sau khi nghiên cứu các vi khuẩn dưới kính hiển vi, ông phát hiện ra rằng sữa chua này có chứa một loại vi khuẩn mà ông xác định là Lactobacillus bulgaricus, một vi sinh vật gần đây đã được phát hiện bởi bác sĩ người Bulgaria Stamen Grigorov. Và như chúng ta biết ngày nay, việc nuôi cấy sữa cho sữa chua thường được thực hiện bằng cách thêm vi khuẩn axit lactic như Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus.

Khi kết nối này được thực hiện, nghiên cứu của Metchnikoff cho thấy Lactobacilli có thể chống lại các tác động tiêu cực của GI góp phần gây ra bệnh tật và lão hóa. Metchnikoff gọi Lactobacilli là "probiotic", có nguồn gốc từ thuật ngữ Latin "pro", có nghĩa là "cho" và từ Hy Lạp "bios" hoặc "biotic", có nghĩa là "cuộc sống". 

Ngày nay, chúng ta biết rằng chế phẩm sinh học được tìm thấy trong nhiều chi vi khuẩn và nấm men khác nhau, nhưng những phát hiện của Metchnikoff đóng vai trò là nền tảng cho những gì chúng ta biết về chế phẩm sinh học. Ví dụ, nghiên cứu hiện đại cho thấy lợi ích từ chế phẩm sinh học như tăng cường tâm trạng, giảm bớt các vấn đề tiêu hóa và hỗ trợ miễn dịch khỏe mạnh.

Nếu không có khám phá này, sự hiểu biết của chúng ta về chế phẩm sinh học sẽ không phát triển theo cách của nó trong thế kỷ qua. Dưới đây là những gì chúng ta hiểu về chế phẩm sinh học ngày nay là kết quả của di sản của Metchnikoff.

Probiotics trong thời hiện đại

Probiotics phổ biến hơn trong xã hội của chúng ta hơn bao giờ hết, và nó rõ ràng với các loại thực phẩm lên men ngày càng phổ biến như kombucha, sữa chua và kim chi. Tuy nhiên, chế phẩm sinh học hiện đại có liên quan đến nhiều thứ hơn là thực phẩm ngon. Nghiên cứu probiotic đã tiến bộ với sự sẵn có dễ dàng của  giải  trình tự toàn bộ bộ gentrong những thập kỷ gần đây.

Probiotics & Giải trình tự gen

Giải trình tự gen là quá trình xác định thứ tự của bốn "khối xây dựng" hóa học được gọi là bazơ, tạo nên phân tử DNA. Những bazơ này bao gồm adenine, guanine, cytosine và thymine, và chúng cho các nhà khoa học biết loại thông tin di truyền được mang trong một đoạn DNA cụ thể. Điều này vô cùng có giá trị trong trường hợp chế phẩm sinh học, bởi vì nó đã giúp chúng ta xác định không chỉ  cácchủng khác nhautrên thế giới, mà cả những chủng  trong cơ thể chúng ta.

Nhưng trước tiên, một dòng thời gian ngắn gọn về những khám phá trong giải trình tự gen:

Thập kỷ qua đã đánh dấu những thay đổi đáng chú ý cho nghiên cứu về chế phẩm sinh học, phần lớn trong số đó là do sự tiếp cận ngày càng tăng với các phương pháp giải trình tự toàn bộ bộ gen mới, nhờ những đột phá như Dự án bộ gen người. Với trình tự bộ gen được giải mã của hơn 1.000 loài vi khuẩn trên mỗi người trong các điều kiện khác nhau, sự hiểu biết của chúng ta về các loại vi khuẩn liên quan đến các tình trạng sức khỏe khác nhau của con người đã mở rộng rất nhiều.

Những nỗ lực ban đầu đằng sau giải trình tự bộ gen chủ yếu tập trung vào các vi khuẩn không mong muốn liên quan đến bệnh tật. Một số sự chú ý này hiện đã chuyển sang vi khuẩn liên quan đến thực phẩm và đường ruột, và đặc biệt là hướng tới việc giải trình tự bộ gen của vi khuẩn probiotic - một ngành học được đặt ra vào năm 2009 là probiogenomics.

Với dữ liệu trình tự bộ gen đầy đủ, các chuyên gia có thể trả lời nhiều câu hỏi hơn, giải quyết nhiều vấn đề hơn và đạt được nhiều tiến bộ hơn trong y tế và y học. Giải trình tự bộ gen của bất kỳ chủng mới nào được phân lập từ thực phẩm lên men hoặc ruột cho phép các nhà khoa học trả lời nhiều câu hỏi về nó chỉ trong một hoặc hai ngày:

• Nếu nó nguy hiểm – Nếu nó có gen để sản xuất histamine hoặc kháng kháng sinh
• Nếu nó hữu ích - Ví dụ, nếu nó có gen để lên men lactose thành axit lactic
• Họ hàng di truyền của nó là ai
• Nếu nó được tìm thấy trong ruột của những người có hệ vi sinh vật đã được giải trình tự

PS128: Những gì chúng ta biết từ giải trình tự bộ gen

Khi một chủng vi khuẩn mới được phân lập từ rau mù tạt lên men vào năm 2007, trình tự bộ gen cho thấy nó thuộc về loài Lactobacillus plantarum. Chủng mới này,  L. plantarum PS128, có thể nhanh chóng được phân loại là một chế phẩm sinh học tiềm năng ở người vì nó không có các gen hoặc gen sản xuất histamine đã biết để kháng lại các loại kháng sinh thông thường. Làm thế nào để chúng ta biết? Vì giải trình tự gen. 

Gần đây Lactobacillus plantarum PS128 đã được đổi tên thành Lactiplantibacillus plantarum PS128. Tại sao? Một lần nữa, vì giải trình tự gen. 

Trong khi chi Lactobacillus trước đây bao gồm một số lượng  lớn cácloài vi khuẩn sản xuất axit lactic, trình tự bộ gen cho thấy nhiều loài trong số >260 này có quan hệ họ hàng khá xa với nhau, nói về mặt tiến hóa. 

Lactose, được chuyển thành axit lactic thông qua quá trình lên men, phổ biến trong thực phẩm từ sữa, và nhờ khả năng kháng axit và muối mật, vi khuẩn axit lactic đặc biệt có lợi cho sử dụng thương mại. Vi khuẩn axit lactic cũng đóng một vai trò chức năng trong việc chống lại mầm bệnh vì chúng tạo ra các hợp chất kháng khuẩn ngoài axit lactic, chẳng hạn như bacteriocin và hydrogen peroxide.

Vào năm 2020, một đề xuất phân loại lại đã được chấp nhận bởi tạp chí chính thức về tên vi khuẩn, trong đó phân loại  lạiLactobacillus thành 25 chi mới, sau khi giải trình tự bộ gen giúp tiết lộ sự khác biệt rõ ràng về nội dung di truyền của chúng. Phân loại mới này bao gồm một chi giữ tên cũ là "Lactobacillus", cùng vớiLactiplantibacillus mới được  đúc và 23 chi mới khác.

Tương lai của lợi khuẩn

Do những đột phá như giải trình tự gen và tốc độ đáng kinh ngạc mà nó có thể được thực hiện với công nghệ hiện đại, sự hiểu biết của chúng ta về hệ vi sinh vật và chế phẩm sinh học đã mở rộng rất nhiều, điều này đã tạo ra những bước nhảy vọt trong kiến thức của chúng ta về sức khỏe con người. 

  Ví dụ, nhờgiải trình tự microbiome trong phân, các chuyên gia có thể xác định hồ sơ của từng microbiome, có thể chiếu sáng cho những người muốn hiểu thêm về nhu cầu sức khỏe cụ thể của họ. Loại giải trình tự này hiện được cung cấp như một dịch vụ bởi một số công ty thông qua bộ dụng cụ microbiome phân tại nhà, có sẵn cho bất kỳ ai mua trực tuyến. 

Các công ty gợi ý rằng với những bộ dụng cụ này, bạn có thể tìm hiểu thêm về nhu cầu sức khỏe của mình dựa trên hồ sơ microbiome của họ và có thể xác định chế phẩm sinh học nào sẽ mang lại lợi ích tốt nhất. Tuy nhiên, các  bộ dụng cụ "trực tiếp đến người tiêu dùng" như vậykhông phải tuân theo quy định của FDA vàhiệu suất phân tích của chúng  thường thiếu. Nhiều bộ dụng cụ trong số này khá đắt tiền, và bồi thẩm đoàn vẫn chưa biết về tính chính xác và hợp lệ của ít nhất một số kết quả, ngoài khả năng áp dụng cho sức khỏe con người.

Cả những đổi mới trước đây và đang diễn ra đều cung cấp vô số khả năng mới cho việc nghiên cứu và ứng dụng chế phẩm sinh học. Ví dụ,  các phương pháp mới như metagenomics cung cấp nhiều thông tin hơn về mẫu được phân tích. Bằng cách giải trình tự hỗn hợp DNA gen được chiết xuất từ một nguồn tự nhiên, cộng đồng vi sinh vật trong mẫu đó có thể được xác định. Thay vì phân lập và nuôi cấy từng vi sinh vật bằng các phương pháp thông thường, cách tiếp cận hợp lý hơn nhiều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định nhiều vi sinh vật cùng một lúc, đặc biệt là các vi sinh vật có điều kiện phát triển độc đáo. Các kỹ thuật metagenomic đã cho phép xác định khoảng 70% hệ vi sinh vật của con người, nhiều trong số đó sẽ khó phát triển trong phòng thí nghiệm.

Cách tiếp cận metagenomic có tiềm năng khám phá gen, protein được mã hóa của chúng và toàn bộ họ  gen - có thể rất quan trọng trong y học và công nghệ sinh học - và những cách mới để thu thập dữ liệu đang giúp thúc đẩy lĩnh vực này tiến lên. Các hệ thống như vậy sẽ tiếp tục nghiên cứu về chế phẩm sinh học và tương tác của chúng với hệ thống miễn dịch, sự trao đổi chất và toàn bộ hệ vi sinh vật. 

Tại Bened Life , chúng tôi muốn trở thành một phần của xã hội sử dụng lợi khuẩn đường ruột-não để giải quyết các vấn đề hàng ngày và toàn cầu, hỗ trợ chất lượng cuộc sống cao cho mọi người từ mọi tầng lớp. 

Chúng tôi đang phấn đấu cho loại tương lai này thông qua L. plantarum PS128. Tìm hiểu làm thế nào nó có thể thay đổi cuộc sống của bạn ngày hôm nay!