Dùng trí tuệ nhân tạo lập bản đồ vi khuẩn đường ruột

Nghiên cứu vi khuẩn đường ruột trong môi trường sống tự nhiên là điều rất khó. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới dựa trên trí tuệ nhân tạo để lập bản đồ vi khuẩn đường ruột bằng cách sử dụng phân.

Mô tả vi khuẩn Clostridium, một trong nhiều loại vi khuẩn sống trong đường tiêu hóa của con người, có liên quan đến bệnh đường ruột

Các nhà khoa học cả trong quá khứ và hiện tại đều nghi ngờ ruột và vi khuẩn của bộ phận này đóng vai trò đáng kể trong nhiều loại bệnh khác nhau. Trong khi các nghiên cứu hiện nay tập trung vào vai trò của hệ vi khuẩn đường ruột trong sự tương quan với các bệnh thể chất như tiểu đường và thừa cân, một số nghiên cứu khác lại tìm cách thiết lập mối liên hệ giữa vi khuẩn đường ruột và các bệnh về mặt thần kinh, tâm lý như tự kỷ, tâm thần phân liệt và trầm cảm.

Nhưng dù đã có nhiều tiến bộ về công nghệ, các nhà khoa học thời hiện đại cũng không tránh khỏi khó khăn khi phải nghiên cứu khoảng 500 – 1.000 loại vi khuẩn trong số xấp xỉ gần 100 tỉ vi khuẩn hoạt động trong đường ruột của chúng ta. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu từ Đại học Copenhagen đã phát triển công nghệ đột phá có thể giúp làm rõ một số bí ẩn về vi khuẩn đường ruột của con người. Kết quả nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Nature Biotechnology .

“Sự hiện diện của vi khuẩn, đặc biệt là nhiều loại vi khuẩn đường ruột, rất quan trọng đối với hệ thống miễn dịch. Kiến thức về vi khuẩn là quan trọng để chúng ta hiểu được những gì đang xảy ra. Nhưng vấn đề ở đây là rất khó để nghiên cứu vi khuẩn đường ruột trong môi trường sống tự nhiên của chúng. Đó cũng là nơi mà công nghệ của chúng tôi có thể tạo ra sự khác biệt. Hiện tại, chúng tôi đã phát triển một phương pháp sử dụng trí thông minh nhân tạo giúp xác định các loại vi khuẩn được tìm thấy trong và trên cơ thể con người. Kết quả của việc làm này sẽ cho chúng ta biết cách phối hợp cùng nhau và hiểu điều gì xảy ra khi chúng ta bị bệnh”, Phó giáo sư Simon Rasmussen tại trung tâm nghiên cứu về protein Novo Nordisk Foundation Center, người chịu trách nhiệm cho nghiên cứu mới, nói.

Phân là chìa khóa chính để lập bản đồ vi khuẩn đường ruột

Thay vì nghiên cứu vi khuẩn bên trong ruột, nhóm nghiên cứu đã phân tích sản phẩm phụ cuối cùng của ruột là phân. Phân chứa phần còn lại của loại vi khuẩn đã giúp chuyển hóa thức ăn trong dạ dày và ruột, do đó cách tiếp cận này có thể cung cấp góc nhìn độc đáo về một môi trường sống tự nhiên vốn không thể tiếp cận được của vi khuẩn đường ruột. Cho đến nay, công nghệ mới chỉ cho phép các nhà nghiên cứu đọc các đoạn DNA của vi khuẩn, nói nôm na chúng ta mới chỉ tiếp cận được một phần nhỏ từ các mảnh ghép của bức tranh lớn. Để hoàn thiện chuỗi DNA của vi khuẩn trong phân, Simon Rasmussen và nhóm nghiên cứu của ông đã phát triển thuật toán dùng trí thông minh nhân tạo.

“Một gam phân chứa xấp xỉ 1 tỉ vi khuẩn với khoảng 500 đến 1.000 số lượng chủng loại khác nhau. Nếu chúng ta có thể tái tạo lại DNA của vi khuẩn, chúng ta sẽ có thông tin về các loại vi khuẩn mà chúng ta đang đối phó, biết được khả năng của chúng và hiểu được những gì chúng thực sự đang làm. Nó không phải là bức tranh hoàn chỉnh nhất, nhưng nó là bước tiến vượt bậc. Thuật toán của chúng tôi luôn có sẵn cho các nhà nghiên cứu khác sử dụng miễn phí”, ông Rasmussen nói.

Xác định mẫu trong các loại dữ liệu khác nhau

Theo ông Rasmussen, phương pháp công nghệ mới không chỉ giới hạn ở vi khuẩn đường ruột. Bên cạnh khả năng phân tích vi khuẩn đường ruột có trong phân, thuật toán của nhóm nghiên cứu còn để phân tích hàm lượng vi khuẩn của các mẫu rất nhỏ khác.

“Thuật toán mới còn dùng để phân tích dữ liệu sức khỏe. Chúng tôi có thể thu thập lượng thông tin về nhóm bệnh nhân, cụ thể hơn là về đặc điểm di truyền, thành phần protein, các chất có trong máu và dữ liệu khác từ hồ sơ điện tử. Phương pháp trí tuệ nhân tạo của chúng tôi có khả năng phân tích các tập dữ liệu khác nhau này, xác định mẫu và kết nối. Nó thực sự có tiềm năng rất lớn”, ông Rasmussen cho biết.