Cách thức vi khuẩn giao tiếp – Quorum Sensing
Quorum sensing, hoặc quá trình liên lạc giữa các tế bào vi khuẩn với nhau, nói chung mô tả sự điều chỉnh về biểu hiện gen dựa theo mật độ quần thể. Quorum sensing được biểu hiện qua các phân tử tín hiệu nhỏ, có thể khuyếch tán; được xem như ngôn ngữ để liên lạc. Những phân tử này liên tục được sản xuất bởi các tế bào vi khuẩn. Khi mật độ quần thể tăng lên, nồng độ của các phân tử cũng tăng và khi chạm đến ngưỡng nhất định, sẽ gây ra những thay đổi trong biểu hiện gen và hành vi của cả quần thể.
Tìm hiểu về Quorum sensing và Quorum quenching tại đây.
Tại sao vi khuẩn cần phải làm việc theo nhóm và sử dụng quá trình giao tiếp để ra quyết định?
Quá trình liên lạc sẽ giúp vi khuẩn quyết định xem là có đáng để đầu tư năng lượng để biểu hiện đối với một tính trạng, dựa trên sự trao đổi chất cao trong các tế bào. Các quá trình như biểu hiện của gen độc lực, hình thành màng sinh học, phát xạ ánh sáng, sự hấp thu DNA, sản xuất kháng sinh và enzyme ngoại bào và nhiều đặc điểm khác, là tốn kém năng lượng và chỉ có thể thành công trong những điều kiện nhất định, ví dụ nếu mật độ quần thể đủ lớn để hình thành vùng đệm, tấn công hệ thống phòng thủ của vật chủ. Đặc biệt đối với yếu tố độc lực, hiệu quả và thời điểm biểu hiện là rất quan trọng cho một quá trình lây nhiễm thành công. Nhưng quorum sensing cũng cung cấp thông tin về tình trạng biến dưỡng của một cộng đồng, thành phần các loài và đối thủ cạnh tranh các chất dinh dưỡng trong một phân khúc nhất định.
Trong tự nhiên vi khuẩn không tồn tại như được nuôi cấy tinh khiết; chúng cùng tồn tại với rất nhiều vi khuẩn khác, sinh vật đơn bào, sinh vật bậc cao,…Vì vậy, sẽ là rất lợi thế để biết thành phần các loài sinh vật, có bao nhiêu họ đang có, và những gì ‘hàng xóm’ của chúng có thể mang đến. Qúa trình thông tin liên lạc và phối hợp nhằm mục đích hỗ trợ sự tồn tại và giúp quần thể vượt qua những yếu tố bất lợi.
Phân tử tín hiệu - các ngôn ngữ khác nhau của vi khuẩn
Các phân tử tín hiệu đã được xem như là ngôn ngữ giao tiếp trong thời gian nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã xác định và cô lập được một loạt các phân tử tín hiệu khác nhau. Các phân tử tín hiệu phổ biến nhất là acylated homoserine lactones (AHL) cho vi khuẩn gram âm và các chuỗi peptide nhỏ cho vi khuẩn Gram dương. Một số thay đổi về độ dài chuỗi carbon của AHLs, là đặc trưng cho các loài.
Sự phân loại gram độc lập, sự đáp ứng của nhiều loài, phát hiện, sản xuất các phân tử tín hiệu phân tử AI-2. AI-2 đại diện cho một ngôn ngữ giao tiếp phổ biến như tiếng Anh, cho phép truyền thông tin trong một cộng đồng đa loài. Một số chi, ví dụ, vi khuẩn Vibrios có ngôn ngữ giao tiếp riêng của chúng, không chỉ là đặc trưng cho một dòng riêng biệt, nhưng là đặc trưng cho một nhóm các loài có liên quan. Một ví dụ cho một phân tử như vậy, ban đầu được xác định bởi Bonnie Bassler và đồng nghiệp của bà trong vi khuẩn Vibrio cholera và đặt tên cholera autoinducer 1 (CAI- 1). Do đó, các chi có thể có nhiều cấp độ ngôn ngữ: AI-2 được sử dụng phổ biến hơn qua các giống, CAI-1 để giao tiếp trong các nhóm vi khuẩn Vibrios (khu vực ngôn ngữ nhất định), AHLs để giao tiếp trong một loài nhất định (tiếng địa phương trong vùng). Tất cả những phân tử này cung cấp thông tin về môi trường, thành phần loài, sự hiện diện của đối thủ cạnh tranh các chất dinh dưỡng, và tình trạng biến dưỡng của cộng đồng.
Hệ thống cơ bản của tín hiệu AHL được tạo thành từ một quá trình tổng hợp sản xuất AHL và một yếu tố phiên mã tế bào chất cùng nguồn gốc để phát hiện AHL. Các tín hiệu AHLs khuếch tán từ tế bào vào môi trường xung quanh và ngược lại. Khi chúng kết hợp với các thụ thể, biểu hiện của gen mục tiêu được kích hoạt hoặc vô hiệu hóa. Trong họ vi khuẩn Vibrios, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra biến thể của những hệ thống đơn giản. Một lần nữa, các tín hiệu khác nhau được phát hiện bởi các thụ thể cụ thể của chúng. Các thụ thể nằm trong màng tế bào và một phần của cảm biến kinase và phản ứng như một hệ thống điều khiển. Sự ràng buộc của các tín hiệu AHLs vào các thụ thể cùng nguồn gốc, gây ra sự thay đổi, và thông tin này được truyền đi thông qua một quá trình điều tiết phức tạp dẫn đến kích hoạt hoặc vô hiệu hóa các gen mục tiêu. Mỗi tín hiệu có một kênh đáp ứng cụ thể và thông tin từ các kênh được chuyển thành các dòng tín hiệu tương tự.
Cắt đứt đường thông tin liên lạc – quorum quenching
Quorum quenching là quá trình nhằm làm gián đoạn hoặc phá hủy đường dây thông tin liên lạc của vi khuẩn. Bất cứ điều gì làm gián đoạn hoặc phá hủy sự chuyển giao thông tin sẽ gây trở ngại cho hoạt động của quần thể. Khi thông tin bị thiếu hoặc bị cắt, sự phối hợp hoạt động của quần thể sẽ bị ức chế và do đó những đặc điểm quy định của quorum sensing sẽ không hoạt động hiệu quả. Trong trường hợp của tác nhân gây bệnh, quorum quenching có thể ngăn chặn bùng phát dịch bệnh truyền nhiễm, bởi vì các tác nhân gây bệnh không thể thu thập được những thông tin phù hợp, do đó chúng dễ bị tổn thương và dễ bị tiêu diệt. Việc loại trừ các yếu tố độc lực làm bất lợi cho quá trình lây nhiễm. Ngoài ra, quorum sensing quy định những đặc điểm rất quan trọng cho sự sống còn cũng bị xáo trộn và sẽ làm giảm khả năng của quần thể phản ứng lại với sự thay đổi của môi trường xung quanh. Xem xét khả năng đề kháng của vi khuẩn đối với kháng sinh ngày càng tăng, quorum sensing, một cơ chế không những có thể đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng mà còn có thể cung cấp một mục tiêu và phương tiện mới để kiểm soát mầm bệnh.
Mục tiêu của quorum quenching
Hệ thống quorum sensing cung cấp một số mục tiêu phá hoại. Đầu tiên, quá trình tổng hợp các phân tử tín hiệu có thể bị loại trừ hoặc bị ức chế, do đó buộc tế bào phải im lặng và không thể liên lạc được nữa. Thứ hai, sự phát hiện tín hiệu có thể bị làm nhiễu bằng nhiều cách. Các phân tử có cấu trúc phân tử tín hiệu bắt chước liên kết với đầu dò; ngăn chặn khả năng kết hợp của phân tử tín hiệu cùng nguồn gốc để phát hiện ra nó. Ngoài ra những bắt chước sẽ làm giảm sự ổn định của thụ thể và thường dẫn đến sự suy thoái của nó. Thứ ba, các phân tử tín hiệu có thể nhắm vào mục tiêu trực tiếp. Các phân tử tín hiệu có thể bị phá hủy bởi suy thoái enzyme, và do đó, thông tin sẽ không bao giờ đến các tế bào nhận. Không những làm suy thoái enzyme, mà còn làm thay đổi pH hoặc các điều kiện môi trường, ảnh hưởng đến sự ổn định của các phân tử tín hiệu. AHLs rất nhạy cảm với các điều kiện pH và quá trình lactonolysis, trong khi chúng tăng sự ổn định trong môi trường có tính axit. Tùy thuộc vào cấu trúc của AHLs tương ứng, các điều kiện tối ưu có thể khác nhau.
Ức chế Quorum sensing trong tự nhiên
Quorum quenching đã được khám phá ra cùng với hệ thống quorum sensing, và thiên nhiên đã phát triển một loạt các cơ chế ức chế tương tự. Thực vật, tảo, vi khuẩn,…đã phát triển các chiến lược để theo dõi cuộc trò chuyện của vi khuẩn hoặc để phá hoại quá trình liên lạc. Các thực vật như tỏi, rễ nhân sâm, hoặc đậu vanilla có chứa những hợp chất có thể ngăn chặn các luồng thông tin. Tinh dầu hoặc các chất chiết xuất có nguồn gốc thực vật như dầu cây trà, dầu cây hương thảo, cinnamaldehyde và hỗn hợp phức tạp như mật ong có thuộc tính của quorum quenching. Một trong những phân tử quorum quenching đầu tiên đã được phát hiện trong môt loài tảo đỏ. Delisea pulchra sản xuất furanones halogen bắt chước phân tử tín hiệu và ngăn chặn quá trình truy cập vào các thụ thể. Với sự giúp đỡ của furanones, tảo đỏ chống lại sự xâm thực của vi khuẩn lên bề mặt và do đó ngăn ngừa tắc ngẽn bề mặt.
Không chỉ các sinh vật có nhân chuẩn mà vi khuẩn cũng đã phát triển các cơ chế để tiêu diệt và làm suy giảm AHLs. Các loài, giống như Ralstonia hoặc Variovorax đã sản xuất ra enzyme AHL acylase / amidase nhắm đến liên kết amide của AHLs. Một số vi khuẩn Bacillus sp. sản xuất AHL lactonases, enzyme thủy phân các vòng lacton của AHL. Bacillus sp. thường được coi là vi khuẩn có lợi hoặc probiotics. Vì vậy, một chủng Bacillus probiotic tấn công vi khuẩn gram âm gây bệnh thông qua hai cách: thứ nhất, sản xuất của các peptide kháng khuẩn sẽ tiêu diệt hoặc làm giảm sự phát triển của một mầm bệnh; thứ hai, sản xuất AHL lactonases sẽ tác động tới quá trình liên lạc và phối hợp của vi khuẩn và do đó giữ cho các hoạt động của các tác nhân gây bệnh được kiểm soát.
Sự phát hiện quorum quenching và các ví dụ minh họa
Một số giống vi khuẩn có cảm biến sinh học được sử dụng kiểm tra quorum quenching trong biểu hiện các tín hiệu phân tử đối với các yếu tố bao gồm ánh sáng, sắc tố màu tím, huỳnh quang, hoặc đặc các điểm dễ dàng phát hiện khác. Nếu, cùng một lúc, một chất ức chế hoặc enzyme phá hủy các phân tử xuất hiện, những đặc điểm này sẽ bị dập tắt.
Tuy nhiên, quá trình chăm sóc cần được áp dụng khi các đặc điểm quorum quenching được phân tích. Các vi sinh vật có ích trên bề mặt, thực vật và dịch tảo chiết xuất thường chứa các hợp chất kháng khuẩn, giảm độ pH sẽ làm ức chế vi khuẩn phát triển. Do đó, các tín hiệu quorum-sensing sẽ không được sản xuất. Vì vậy, điều quan trọng là để kiểm tra một loạt các nồng độ để xác định được nồng độ mà tín hiệu quorum sensing bị dập tắt, nhưng sự tăng trưởng không bị ảnh hưởng.
Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đã tận dụng các cảm biến sinh học và thử nghiệm một loạt các tác nhân gây bệnh trong nuôi trồng thủy sản, để sản xuất các phân tử tín hiệu, một số chế phẩm sinh học Bacillus và một số chất có nguồn gốc thực vật như cinnamaldehyde để ức chế tín hiệu quorum sensing.
Đầu tiên, chúng tôi sử dụng tác nhân gây bệnh khác nhau trong nuôi trồng thủy sản và kiểm tra liệu chúng có sản xuất AHLs, AI-2 và CAI-1. Tất cả năm tác nhân gây bệnh đã sản xuất AHLs và AI-2, mặc dù ở mức độ khác nhau. Sản xuất CAI-1 chỉ được quan sát thấy ở V. harveyi và V. parahaemolyticus.
Chiết xuất từ nuôi cấy tế bào nổi của một số chủng vi khuẩn Bacillus đã được thu hoạch và kiểm tra quorum quenching và sự hiện diện giả định của lactonase AHL. Như trong hình 2, sự bổ sung các chiết xuất từ vi khuẩn Bacillus đến 10% không ảnh hưởng đến tăng trưởng nhưng giảm lượng ánh sáng, một đặc điểm quy định của quorum sensing. Đây là sự phụ thuộc nồng độ, khi nồng độ thấp hơn, không có tác dụng rõ rệt về sự phát quang.
Tác dụng của cinnamaldehyde ở những nồng độ khác nhau đã được thử nghiệm. Ở nồng độ 100 ppm, cinnamaldehyde kháng khuẩn và giảm sự tăng trưởng của các cảm biến sinh học, tại 10 ppm quorum quenching được quan sát và 1 ppm cinnamaldehyde đã không tác động đến quorum quenching hoặc quá trình vi khuẩn phát triển.
Nguồn: Baterial chatter - quorum sensing, Aquaculture Asia Pacific May/Jun 2014 Volume 10 Number 3 Page 34-37
Người dịch: KS ĐỖ NGỌC TUẤN - CÔNG TY VINHTHINHBIOSTADT
Hỗ trợ trực tuyến
-
Hotline Vinhthinh Biostadt - Thủy Sản
Zalo - ĐT: 0912 889 542
-
Hotline Vinhthinh Biostadt- Nông Nghiệp
Zalo - ĐT: 0915446744
HOTLINE0912.889.542
.jpg)
.jpeg)
.jpg)
.jpg)
English
Trang chủ
