Tìm hiểu thêm về Quorum sensing và ứng dụng của nó trong kiểm soát vi khuẩn
Trong vòng ba thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học đã khám phá ra quá trình “quorum sensing” như là một quá trình giao tiếp ở thế giới vi khuẩn, trong đó việc tổng hợp và dò tìm một loại phân tử tín hiệu thực hiện điều hòa việc biểu hiện gen. Quá trình này đã được chứng minh là có liên quan trực tiếp đến sự biểu hiện gen mã hóa các yếu tố độc lực ở nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, ví dụ như Vibrio harveyi, V. parahaemolyticus, Aeromonas hydrophila, Edwardsiella tarda, Edw. ictaluri. Vì vậy có thể phát triển các phương pháp kiểm soát dịch bệnh thông qua việc phân hủy phân tử tín hiệu tiết ra bởi vi khuẩn gây bệnh.
Vi khuẩn sống như một quần xã, trong đời sống của chúng đều có sự cạnh tranh và cộng tác. Tuy nhiên, trong thế giới vi sinh thì sự cạnh tranh diễn ra khốc liệt hơn nhiều vì vòng đời của mỗi loài ngắn. Nhiều nhà khoa học cho rằng, Quorum sensing cho phép vi khuẩn hợp tác hành động. Như vậy, có thể định nghĩa Quorum sensing là khả năng của vi khuẩn có thể liên lạc và trao đổi thông tin để cộng tác thông qua các chất mang dấu hiệu.
Tại sao vi khuẩn cần phải giao tiếp với nhau?
Giao tiếp với nhau giúp cho vi khuẩn có thể tổ chức và quyết định xem có nên "đầu tư" năng lượng để triển khai các hoạt động như gia tăng biểu hiện của gen độc lực, hình thành các màng sinh học (biofilm), phát xạ ánh sáng, sự hấp thu DNA, sản xuất các chất kháng khuẩn, các enzyme ngoại bào (exoenzyme) và các phản ứng khác. Rất nhiều trong số các quá trình này, ví dụ như gia tăng biểu hiện của gen độc lực, chỉ đáng giá và có thể thành công khi tập hợp được một cộng đồng vi khuẩn đủ lớn để có thể sản xuất đủ độc tố để đánh bại "hệ thống phòng thủ" là hệ miễn dịch của vật chủ. Quorum sensing cũng cung cấp thông tin về trạng thái chuyển hóa của cộng đồng vi khuẩn, thành phần loài và các đối thủ cạnh tranh là các vi khuẩn khác trong cùng một hệ sinh thái.
Quorum sensing là yếu tố quan trọng đối với độc tính của vi khuẩn, đặc biệt là các tác nhân gây bệnh có liên quan đến nuôi trồng thủy sản như Aeromonas, Vibrio, hoặc Yersinia. Vibrio harveyi, tác nhân gây bệnh phát sáng trên tôm, chúng sử dụng tín hiệu quorum sensing để điều chỉnh độc tính của nó tùy theo điều kiện môi trường và sức khỏe của vật chủ.
Vật chất liên lạc của Quorum sensing
Các vi khuẩn có thể tự tổng hợp và tiết ra những chất làm dấu hiệu một cách chắc chắn, gọi là chất kích thích (pheromones hay là autoinducer – AI) thường là N – acyl homoserine lactones (AHLs). Vi khuẩn cũng có cơ quan đặc biệt để nhận biết được các tác nhân gây cảm ứng. Khi tác nhân gây cảm ứng này bao quanh cơ quan thụ cảm của vi khuẩn thì nó làm hoạt hóa sự sao chép của các gen chủ yếu trong đó bao gồm cả sự tổng hợp các chất gây cảm ứng.
Khi chỉ có một vài vi khuẩn cùng loài ở các vùng lân cận thì sự truyền thông tin làm giảm sự tập trung của các tác nhân gây cảm ứng từ mức trung bình cho đến 0, do đó vi khuẩn tạo ra rất ít các chất gây cảm ứng. Thoạt đầu khi ở mức độ thấp chúng khuếch tán ra khỏi vùng của chúng và xâm nhập vào các vùng khác. Tại những vùng này vi khuẩn có những cơ chế bên trong để truyền thông tin cho đồng loại tập trung. Sau khi thông tin được phát ra thì có sự tập trung của đồng loại. Khi sự tập trung của đồng loại đến mức đủ lớn thì có những tín hiệu được phát đi báo hiệu cho những vùng tương tự có mặt và trả lời bằng 2 cách:
- Sự hợp lại của các vùng có mật độ thấp để trở thành vùng có mật độ đủ lớn có khả năng gây hại cho vật chủ.
- Sau khi tiếp nhận được thông tin thì chúng sinh sản nhanh để đạt được số lượng cần thiết.
Những vùng này sau một lần thông báo thì nó cũng trả lời lại và làm cho nhiều AI báo động cho những vùng bên cạnh.
Có nhiều kiểu cơ chế của thụ cảm Quorum sensing và nhiều loại vi khuẩn tham gia với nhiều loại cơ chế khác nhau ở các tổ chức. Tuy vậy, sự khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của vi khuẩn Gram dương hay Gram âm.
Lần đầu tiên người ta chụp được ảnh của cơ quan thụ cảm, tác nhân gây cảm ứng bao gồm cơ quan thụ cảm của các vi khuẩn là ở vi khuẩn Vibrio harveyi, ảnh được chụp bằng tia X-quang vào năm 2002.
Dấu hiệu liên lạc của vi khuẩn và cơ chế tác động vào Quorum sensing
Các nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này đã cho biết những loại vi khuẩn khác nhau thì có các chất dấu hiệu khác nhau. Trong một số trường hợp các loại vi khuẩn riêng lẻ có nhiều hơn một hệ thống Quorum sensing và do đó nó sử dụng nhiều chất mang dấu hiệu liên lạc. Người ta cũng biết các vi khuẩn phản ứng với cùng một chất theo nhiều cách khác nhau. Hay nói cách khác thì các chất mang dấu hiệu liên lạc có thể hiểu theo những cách khác nhau cũng như hiện tượng đồng âm khác nghĩa trong ngôn ngữ.
Có dấn liệu cho rằng các loài khác nhau có thể liên lạc với nhau qua hệ thống Quorum sensing. Điều này được xem như là sự phức tạp của hệ thống Quorum sensing và sự liên quan tới rất nhiều lĩnh vực vi sinh vật học. Trong điều kiện tự nhiên có nhiều loài vi khuẩn cùng tồn tại trong một khoảng không gian hẹp. Giữa các loài sẽ có một hệ thống Quorum sensing vì khi loài này sản sinh ra chất liên lạc với vi khuẩn cùng loài để phối hợp tập tính, thay đổi cách tăng trưởng, và hình thành cái gọi là biofilm (màng sinh học), là những chất tiết ngoại bào giúp cho chúng tạo thành một quần thể vi khuẩn gắn kết về mặt lý hóa, thì sẽ ức chế hoạt động của loài vi khuẩn khác. Trong vi khuẩn những phân tử kiểu Homonsoine lactone phục vụ nhiệm vụ chính là báo hiệu trong khi những phân tử Lipide, Peptide và hợp chất Protein ít khi báo hiệu cho các phân tử khác. Vi khuẩn Gram âm sử dụng những phân tử kiểu Homonsoine lactone tốt hơn, còn vi khuẩn Gram dương thì sử dụng Peptide hoặc sửa đổi những Peptide sơ cấp có nghĩa.
Nhìn vào cách phân tích trên chúng ta thấy được cơ chế để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn có hại hay kích thích sự phát triển của vi khuẩn có lợi, đó là chúng ta chỉ cần cắt đứt hay kích thích sợi dây liên lạc (Quorum sensing) giữa các vi khuẩn. Từ đó chúng ta có thể điều khiển số lượng mỗi loại theo mục đích của chúng ta.
Ứng dụng của Quorum sensing
Nhiều bệnh nguy hiểm xảy ra với con người và vật nuôi có nguồn gốc từ vi khuẩn Gram âm. Với việc khám phá ra hệ thống Quorum sensing cùng với những hiểu biết về khả năng gây bệnh của vi khuẩn đã mở ra cho các nhà khoa học hướng nghiên cứu mới về khả năng ứng dụng của Quorum sensing. Cơ sở của những ứng dụng này là điều khiển số lượng vi khuẩn bằng cách làm nhiễu hệ thống dấu hiệu của chúng. Từ đó vi khuẩn không có khả năng tập trung đủ số lượng để gây bệnh hoặc là do nhiều gen gây bệnh của vi khuẩn do bị rối loạn của hệ thống Quorum sensing mà không thể tổng hợp được. Do vậy nếu chúng ta điều khiển được hệ thống này thì vi khuẩn không có khả năng gây bệnh nữa.
Enzyme AHL lactonase là một trong hai loại enzyme có khả năng phân hủy phân tử tín hiệu ở vi khuẩn Gram âm, N-acyl homoserine lactone (AHL). Enzyme này được mã hóa bởi gen aiiA hiện diện ở các loài vi khuẩn thuộc nhóm Bacillus sp. Có khá nhiều nghiên cứu trên thế giới về việc ứng dụng gen aiiA tái tổ hợp như là một biện pháp kiểm soát sinh học đối với các bệnh trên cây trồng có liên quan đến việc tiết ra phân tử tín hiệu AHL. Theo báo cáo của Pan và ctv. (2008), gene aiiA phân lập từ chủng Bacillus subtilisBS-1 đã được biểu hiện vượt mức ở chủng Escherichia coliBL21, và sản phẩm protein AiiA (enzyme lactonase) có thể được sử dụng cho cây trồng để làm giảm hội chứng thối rễ do E. carotovoragây ra. Trong một nghiên cứu khác thực hiện bởi Qian và ctv. (2010), AHL-lactonase gen aiiA được phiên mã bởi promoter Plpp của E. coli và được tái tổ hợp vào chủng Lysobacter enzymogenes OH11 (vi khuẩn kiểm soát sinh học đối với bệnh do nấm gây ra trên thực vật), tạo thành chủng OH11A. Kết quả thí nghiệm phân hủy AHL cho thấy chủng tái tổ hợp OH11A có khả năng phân hủy phân tử AHL tiết ra bởi các chủng vi khuẩn gây bệnh Agrobacterium tumefaciens, Pectobacterium carotovorum, Pseudomonas syringaepv. tomato và Acidovorax avenaesub sp. citrulli. Các thí nghiệm nghiên cứu độc lực cho thấy trong khi chủng tự nhiên OH11 không có khả năng làm giảm tỉ lệ cảm nhiễm với Pectobacterium carotovorum, chủng tái tổ hợp OH11A lại có khả năng làm giảm mạnh độc lực của Pectobacterium carotovorumtrên cây bắp cải Trung Quốc và cây xương rồng. Kết quả của nghiên cứu này mở ra một hướng tiếp cận mới trong việc phát triển các dòng vi khuẩn tái tổ hợp đa chức năng, có khả năng kiểm soát đồng thời bệnh do nấm và bệnh do vi khuẩn gây ra trên thực vật.
Trong y học, thay vì phải dùng thuốc kháng sinh thì ta có thể phá hủy những dấu hiệu liên lạc của vi khuẩn hoặc khóa cơ quan thụ cảm của chúng. Điều này làm cho vi khuẩn không đủ số lượng cần thiết để gây bệnh.
Trong nuôi trồng thủy sản đã có những nghiên cứu về sự phá hủy hệ thống Quorum sensing để ngăn ngừa và phòng trị dịch bệnh trong quá trình nuôi. Ví dụ: ấu trùng Nauplius của Artemia franciscana có thể sống sót sau khi xử lý vi khuẩn Aeromonas hydrophila, Vibrio anguillarum và Vibrio haeveyi gây bệnh phát sáng bằng cách phá hủy hệ thống Quorum sensing của các loài vi khuẩn này.
Ở một số vi khuẩn sự tập trung số lượng đủ lớn và có sự thiết lập màng sinh học mới là điều kiện để gây bệnh. Dựa vào đặc điểm này nếu ta tác động vào Quorum sensing làm cho màng sinh học của vi khuẩn thiết lập chậm chạp hoặc không được thiết lập, hoặc gây cản trở sự tập trung số lượng vi khuẩn. Như vậy sẽ có ích trong việc ngăn chặn hay điều trị bệnh do vi khuẩn.
Ngược lại nếu ta có thể tác động làm tăng khả năng thành lập màng sinh học của các vi khuẩn có lợi sẽ làm tăng nhanh chóng số lượng vi khuẩn có lợi để phục vụ cho mục đích nhất định nào đó. Chẳng hạn thành lập bộ lọc sinh học để làm sạch nước hay thiết lập hành rào sinh học để giữ lại các chất bẩn. Điều này rất có lợi trong môi trường nước đặc biệt là trong nuôi trồng thủy sản.
Tác giả: Triệu Thanh Tuấn (tổng hợp, dịch), www.aquanetviet.org
Nguồn: Nguyễn Thị Ngọc Tĩnh (Viện NTTS II), The Fish Site, Trần Trọng Nguyễn (Luận văn tốt nghiệp)
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)
Trang chủThông tin kỹ thuậtNUÔI TÔM SÚ, THẺTìm hiểu thêm về Quorum sensing và ứng dụng của nó trong kiểm soát vi khuẩn
English
