Ứng dụng công nghệ số trong bảo tồn nguồn gen sinh học

Việc ứng dụng công nghệ số kết hợp các kỹ thuật sinh học phân tử tiên tiến, đặc biệt là giải trình tự DNA, góp phần nâng cao hiệu quả bảo tồn nguồn gen, đồng thời tạo cơ sở khai thác và phát huy giá trị tài nguyên di truyền phục vụ phát triển kinh tế - xã hội.

Thay đổi phương thức bảo tồn nguồn gen

Trước đây, hoạt động bảo tồn nguồn gen tại Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN (Sở KH&CN) chủ yếu dựa vào lưu giữ mẫu vật trong phòng thí nghiệm cùng hệ thống sổ sách ghi chép phân tán. Phương thức này gặp nhiều khó khăn trong quá trình tra cứu, cập nhật thông tin và tiềm ẩn nguy cơ thất lạc dữ liệu theo thời gian.

Cán bộ Trung tâm Ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ khai thác dữ liệu trên hệ thống quản lý nguồn gen phục vụ nghiên cứu và bảo tồn đa dạng sinh học. Ảnh: T.LỢI

Nhằm khắc phục những hạn chế trên, Trung tâm đã xây dựng và đưa vào vận hành hệ thống cơ sở dữ liệu, phần mềm quản lý nguồn gen thực vật và vi sinh vật tại địa chỉ gen.gialai.gov.vn. Hệ thống được thiết kế theo mô hình quản lý tập trung, phục vụ lưu giữ, quản lý, phân tích và khai thác dữ liệu nguồn gen một cách thống nhất.

Mỗi nguồn gen được xây dựng hồ sơ sinh học đầy đủ, gồm tên khoa học, đặc điểm sinh học, vùng phân bố, điều kiện sinh trưởng và trình tự DNA. Nhờ đó, công tác bảo tồn được thực hiện đồng bộ đối với cả mẫu vật sinh học và dữ liệu di truyền.

Ông Lê Minh Hải - Giám đốc Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN - cho biết: “Việc xây dựng cơ sở dữ liệu số tạo ra bước chuyển căn bản trong phương thức bảo tồn nguồn gen. Công tác quản lý hiện nay dựa trên dữ liệu, giúp cán bộ chuyên môn thuận lợi trong phân tích, đánh giá và khai thác thông tin di truyền phục vụ nghiên cứu, phát triển”.

Được xây dựng trong năm 2025, phần mềm quản lý nguồn gen gồm 7 nhóm chức năng chính: Quản lý mẫu gen; tìm kiếm, tra cứu thông tin; phân tích trình tự DNA; thống kê, trực quan hóa dữ liệu; xuất báo cáo; quản lý người dùng và phân quyền; bảo mật, an toàn thông tin. Các chức năng được thiết kế liên thông, tạo thuận lợi cho quá trình cập nhật và khai thác dữ liệu.

Điểm nổi bật của hệ thống nằm ở việc mỗi mẫu gen được gắn một mã QR riêng. Thông qua mã QR này, cán bộ chuyên môn có thể theo dõi xuyên suốt từ mẫu vật thực tế đến dữ liệu số được lưu trữ trên hệ thống. Khi quét mã QR, toàn bộ thông tin liên quan đến nguồn gen được hiển thị tức thời, góp phần nâng cao độ chính xác trong quản lý.

Hệ thống cho phép nhập dữ liệu tự động từ các định dạng chuyên ngành như FASTA, CSV, MEGA, góp phần chuẩn hóa dữ liệu, rút ngắn thời gian xử lý và hạn chế sai sót trong quá trình nhập liệu. Người sử dụng có thể thực hiện nhiều thao tác phân tích chuyên sâu như đánh giá độ dài trình tự, tỷ lệ GC, nhận diện mô-típ đặc trưng hoặc dịch mã DNA sang protein phục vụ nghiên cứu và đánh giá chất lượng nguồn gen.

Các kết quả phân tích được trực quan hóa bằng biểu đồ thống kê và bản đồ phân bố địa lý, hỗ trợ cơ quan quản lý theo dõi hiện trạng, phân bố nguồn gen trên địa bàn tỉnh. Đây là cơ sở quan trọng phục vụ hoạch định chính sách bảo tồn và định hướng phát triển trong từng giai đoạn.

Hoàn thiện ngân hàng gen số của tỉnh

Để bảo đảm chất lượng dữ liệu đầu vào, Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN còn sử dụng hệ thống giải trình tự DNA thế hệ mới Illumina iSeq100, vận hành dựa trên sự kết hợp độc đáo giữa hai công nghệ nền tảng là công nghệ giải trình tự bằng phương pháp tổng hợp (Sequencing by Synthesis) và công nghệ chip bán dẫn (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

Mẫu vật được tách chiết DNA, khuếch đại bằng kỹ thuật PCR trước khi giải trình tự. Kết quả phân tích được đối sánh với các ngân hàng gen quốc tế NCBI nhằm xác định chính xác loài và xây dựng cây phát sinh chủng loại đối với từng đối tượng nghiên cứu.

Hiện nay, Trung tâm đang bảo tồn, lưu giữ nhiều nguồn gen thực vật, vi sinh vật, nấm ăn và nấm dược liệu phục vụ nghiên cứu, ứng dụng và sản xuất. Qua đánh giá thực tiễn, nhiều nguồn gen đã phát huy hiệu quả trong các hoạt động nghiên cứu khoa học và phát triển sản xuất, tạo nguồn vật liệu sinh học sẵn sàng phục vụ khi có nhu cầu.

Đến nay, hệ thống cơ sở dữ liệu đã lưu trữ thông tin của 11 nguồn gen. Trong đó, nhóm thực vật gồm lan thạch hộc, lan kim tuyến, hoa chuông và dừa nước; nhóm vi sinh vật gồm Lactobacillus acidophilus, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis; nhóm nấm ăn và nấm dược liệu gồm nấm linh chi, nấm sò, nấm hoàng đế và nấm đông trùng hạ thảo.

Bên cạnh việc vận hành và duy trì hệ thống theo quy định của cơ quan quản lý, Trung tâm tiếp tục đề xuất khảo sát, thu thập thêm thông tin về các nguồn gen trên địa bàn để cập nhật vào cơ sở dữ liệu, từng bước mở rộng quy mô và nâng cao giá trị khai thác của hệ thống.

Thời gian tới, đơn vị dự kiến nâng cấp phần mềm, bổ sung chức năng phê duyệt người dùng và mở rộng các trường thông tin nhằm đáp ứng yêu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng đa dạng.

Theo ông Lê Minh Hải mục tiêu lâu dài của Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN là từng bước hoàn thiện ngân hàng gen số của tỉnh, phục vụ hiệu quả công tác bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển KT-XH. Hệ thống cơ sở dữ liệu nguồn gen được xây dựng hôm nay sẽ tạo nền tảng quan trọng để các thế hệ sau tiếp tục khai thác, phát huy giá trị tài nguyên di truyền địa phương theo hướng bài bản, bền vững.

TRỌNG LỢI