KỲ THÚ GIỚI VI SINH VẬT

KỲ THÚ VI SINH VẬT

Tác giả ASHLEY HAGEN, MS

Vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa đối phó với đối thủ cạnh tranh như thế nào?

Hình minh họa 3D về nhiễm trùng phổi do vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa gây ra .
Nguồn: istock.com

Câu trả lời là chất độc. 

Một nghiên cứu gần đây, được công bố trên mBio, cho biết hydro xyanua trong không khí (HCN) – được tạo ra bởi vi khuẩn gây bệnh Pseudomonas aeruginosa – ức chế sự phát triển của Staphylococcus aureus trong màng sinh học và môi trường phổi trong cơ thể sống. Nghiên cứu này làm sáng tỏ động lực cạnh tranh của các cộng đồng đa vi khuẩn gây nhiễm trùng mãn tính ở bệnh nhân xơ nang (CF).

Xơ nang là một bệnh di truyền trong đó các chất tiết của cơ thể, chẳng hạn như chất nhầy và dịch tiêu hóa, trở nên đặc và dính, tạo môi trường lý tưởng cho mầm bệnh phát triển. Do đó, phổi và đường thở của bệnh nhân xơ nang thường bị nhiều mầm bệnh vi khuẩn xâm chiếm, bao gồm P. aeruginosa và P. aeruginosa.tụ cầu vàng. Mặc dù S. aureus thường xâm chiếm phổi đầu tiên trong quá trình nhiễm CF, nhưng khi P. aeruginosa xuất hiện, nó sẽ cạnh tranh và thay thế S. aureus.

Các nhà khoa học đã xác định được một số yếu tố ngoại bào có thể góp phần vào sự thay đổi cục diện; tuy nhiên, người ta chưa biết nhiều về cách HCN trong không khí (được tạo ra bởi quá trình trao đổi chất của P. aeruginosa và có thể nhanh chóng khuếch tán vào môi trường) tham gia vào phương trình. HCN là một chất ức chế chuỗi hô hấp được biết đến và gây độc cho nhiều loại sinh vật nhân chuẩn. Do đó, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng nó cũng có thể đầu độc các vi khuẩn nhạy cảm với HCN trong nhiều ngách khác nhau.

Nghiên cứu tiết lộ rằng HCN hạn chế sự phát triển của một loạt các chủng S. aureus và có thể làm như vậy từ xa. Môi trường oxy thấp được cho rằng sẽ tăng cường sản xuất P. aeruginosa cũng như tăng độ nhạy cảm của S. aureus với hợp chất. Những kết quả này đã được chứng minh trong màng sinh học vi hiếu khí trong ống nghiệm cũng như môi trường đờm phổi của bệnh nhân xơ nang trong ống nghiệm. Hơn nữa, sự ức chế nhất quán sự phát triển của S. aureus đã được báo cáo trong đường thở của mô hình chuột đã bị nhiễm cả hai mầm bệnh vi khuẩn.

Nghiên cứu cung cấp bối cảnh mới cho việc quản lý và giám sát nhiễm trùng phổi do P. aeruginosa và tương tác với các vi khuẩn nhạy cảm với HCN khác có thể góp phần gây ra bệnh đa vi khuẩn.

Muỗi có thể 'ngửi thấy' vi-rút sốt xuất huyết và Zika không?

Muỗi bị thu hút bởi mức độ cao của hợp chất hữu cơ dễ bay hơi acetophone được tạo ra bởi hệ vi sinh vật trên da.
Nguồn: istock.com.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell vào mùa hè năm 2022 đã chứng minh rằng muỗi không chỉ bị thu hút bởi vật chủ bị nhiễm một số loại arbovirus nhất định (ví dụ: sốt xuất huyết và Zika), mà còn bị thu hút bởi một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) được sản xuất quá mức bởi hệ vi sinh vật trên da của vật chủ.

Các nhà khoa học chia chuột thành 2 nhóm — nhóm nhiễm vi rút sốt xuất huyết hoặc Zika và nhóm không bị nhiễm. Sau đó, họ thổi không khí vào từng nhóm và quan sát thấy rằng muỗi ưu tiên đổ xô đến các đối tượng thử nghiệm bị nhiễm bệnh. Sau khi thu thập và đo lường các chất bay hơi phát ra từ chuột, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng acetophone (C₈H₈O), một ketone thơm có vai trò tự nhiên như một chất nhạy cảm với ánh sáng, đã được làm giàu đáng kể trong đoàn hệ bị nhiễm bệnh.

Làm thế nào mà các arbovirus này điều khiển các vi khuẩn trên da để tạo ra mùi hương kích thích khứu giác của muỗi? Hóa ra, nhiễm flavivirus ngăn chặn sự biểu hiện của REMα, một chất chống vi trùng thiết yếu xuất hiện trên da vật chủ. Trong trường hợp không có chất kháng khuẩn tự nhiên này, vi khuẩn cộng sinh sản xuất acetophone như một chất chuyển hóa có thể phát triển mạnh. Nồng độ acetophone cao thu hút nhiều muỗi hơn đến vật chủ, nơi có thể truyền thức ăn và lây lan bệnh tật.

Một dẫn xuất đơn giản của vitamin A, isotretinoin, có thể được cung cấp với liều lượng nào đó như một chất bổ sung trong chế độ ăn uống, đã được chứng minh là có tác dụng kích thích sản xuất REMα, giảm nồng độ acetophone và giảm lượng muỗi đốt trên vật chủ được điều trị. Điều này có lẽ sẽ mở ra một cách thức độc đáo để kiểm soát arbovirus .

Tại sao dơi không nhiễm những căn bệnh gây chết người cho con người?

Hình ảnh cận cảnh loài Cynopterus brachyotis (Loài dơi ăn quả mũi ngắn).
Nguồn:Wikimedia.

Nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Virus học gợi ý rằng áp lực chọn lọc đối với protein kháng vi-rút phổ biến ở động vật có vú có thể hỗ trợ dơi trong khả năng độc nhất của chúng trong việc chứa vi-rút không có triệu chứng gây chết người cho các động vật có vú khác — bao gồm cả con người. Tetherin là một loại enzyme hạn chế ngăn chặn các phần tử của vi rút (ví dụ: retrovirus, coronavirus, filovirus và paramyxovirus) thoát khỏi tế bào chủ. Là một chức năng phụ, tetherin kích hoạt đường truyền tín hiệu miễn dịch NF-κB và kích thích các phản ứng interferon chống vi-rút. Protein là phổ biến cho tất cả các động vật có vú; tuy nhiên, dữ liệu chỉ ra rằng các gen tetherin của dơi đã trải qua quá trình mở rộng và đa dạng hóa so với các động vật có vú khác, điều này có thể tăng cường khả năng chống lại vi rút của chúng, chẳng hạn như Ebola, Marburg, SARS-CoV-1, Hendra và Nipah, mà không có dấu hiệu lâm sàng của bệnh.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã khai thác cơ sở dữ liệu về các lần đọc trình tự có sẵn công khai của các chất tương đồng với tetherin của dơi. Sử dụng một dạng đồng phân từ loài dơi ăn quả (Pteropus alceto) làm trình tự truy vấn, họ đã đi đến kết luận rằng cấu trúc, số lượng và biểu hiện của các gen tetherin khác nhau giữa 27 loài dơi được nghiên cứu. Ví dụ, trong khi 1 loài dơi ăn quà có 3 dạng đồng phân của một gen tetherin duy nhất, thì 1 loài dơi vesper ( Myotis marcopus)  có 5 gen tetherin riêng biệt và một loài khác, Myotis lucifugus, có thể có tới 7 và nhiều hơn bất kỳ động vật có vú nào khác được báo cáo cho đến nay. (Hầu hết các động vật có vú chỉ mang một gen tetherin duy nhất và con người biểu hiện enzyme ở 2 dạng đồng phân thay thế). Đáng chú ý, một số biến thể được phát hiện trên các loài dơi có cấu trúc độc đáo và có hoạt tính chống lại các phần tử virus khác nhau.

Các nhà khoa học cũng kiểm tra biểu hiện của protein tetherin, đặc biệt chú ý đến các mô của dơi ăn quả. Họ phát hiện ra rằng protein kháng vi-rút được biểu hiện rộng rãi và thay đổi trong các mô của dơi ăn quả, với mức độ cao nhất được ghi nhận trong tuyến ức và phổi. Những quan sát này có thể chỉ ra vai trò phòng thủ của tetherin chống lại mầm bệnh đường hô hấp. Cuối cùng, khi được kích thích bằng chất chủ vận thụ thể giống Toll (ví dụ, lipopolysacarit), biểu hiện tăng tetherin đã được phát hiện trong lá lách. Tầm quan trọng của quan sát này vẫn chưa được biết. Điều rõ ràng là dơi đã phát triển các dạng tetherin độc nhất vô nhị so với các dạng được quan sát thấy ở các loài động vật có vú khác. Dơi được biết là ổ chứa vi-rút gây bệnh nghiêm trọng cho các loài động vật có vú khác—thường không phát triển bất kỳ triệu chứng nào có thể quan sát được—sự tiến hóa độc đáo và đa dạng hóa của các gen kháng vi-rút, như tetherin, cần được điều tra thêm.

Hương vị thực phẩm lên men có thể được sao chép mà không có giới hạn địa lý không?

Baijiu, một loại rượu của Trung Quốc, được lên men với sự trợ giúp của quá trình trao đổi chất giữa nấm và vi khuẩn.
Nguồn: Tagosaku/Flickr.

Lên men là một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm và đồ uống lâu đời nhất trong lịch sử loài người. Được ca ngợi về tính thực tiễn và hương vị riêng biệt, quá trình lên men thực phẩm vừa mang tính nghệ thuật vừa mang tính khoa học. Tái tạo hương vị của thực phẩm lên men thường được cho là phụ thuộc vào vùng địa lý, nhưng trong một nghiên cứu được công bố trên Phổ vi sinh vật của ASM , các nhà nghiên cứu đã cố gắng tái tạo các quy trình phức tạp của quá trình lên men rượu Trung Quốc (baijiu) trong phòng thí nghiệm.

Nhóm đã thu thập 403 mẫu baijiu, thuộc 3 loại hương thơm, từ 9 địa điểm khác nhau ở Trung Quốc, trên phạm vi vĩ độ từ 27°N đến 37°B, sau đó áp dụng phương pháp không phụ thuộc vào văn hóa (metagenomics, metabolomics và metatranscriptomics) và văn hóa – các công cụ phụ thuộc vào các mẫu. Phân tích đã xác định được 735 chi vi khuẩn và 290 chi nấm trên hệ vi sinh vật baijiu và tiết lộ rằng quá trình trao đổi chất giữa nấm và vi khuẩn có tác động lớn đến hương vị  hơn là phụ thuộc vào vùng địa lý. Hơn nữa, các đặc điểm địa lý có thể được quy cho sự phong phú của các loài từ các nhóm vi sinh vật khác nhau, phần lớn bị chi phối bởi độ pH, lượng mưa và dinh dưỡng. Do đó, các nhà nghiên cứu đề xuất điều chỉnh thành phần và sự phân bố của các loài như một lựa chọn để điều chỉnh hương vị,

Vi khuẩn có thể làm nhiên liệu tên lửa?

Tàu con thoi Atlantis, gắn với thùng nhiên liệu bên ngoài màu cam sáng và hai tên lửa.
Nguồn: Chính phủ Hoa Kỳ (Phạm vi công cộng).

Chuyển đổi xăng dầu thành nhiên liệu góp phần gây ô nhiễm khí thải, bao gồm cả khí nhà kính carbon dioxide (CO₂) gây tốn kém cho công tác môi trường. Tuy nhiên, các ứng dụng cần năng lượng, chẳng hạn như tên lửa, hàng không và vận chuyển, yêu cầu đốt cháy nguồn nhiên liệu có độ đậm đặc năng lượng cao. Nhiên liệu giàu phân tử tuần hoàn với các góc căng (tức là cyclopropanes) có thể lưu trữ nhiều năng lượng nhất. Cyclopropanes rất khó tổng hợp hữu cơ, điều này đã làm gia tăng sự phụ thuộc toàn cầu vào dầu mỏ. Tuy nhiên, theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Joule , các nhà khoa học đã sử dụng vi khuẩn để tổng hợp một phân tử có mật độ năng lượng cao hơn bất kỳ sản phẩm dầu mỏ nào trên hành tinh.

Nhóm đã khám phá hàng ngàn bộ gen vi khuẩn để tìm kiếm các phân tử cyclopropanated được tổng hợp tự nhiên và xác định một tập hợp các chất tổng hợp polyketide lặp (iPKS) được dự đoán sẽ tạo ra axit béo polycyclopropanated (POP-FA). Tiếp theo, họ đã thiết kế một hệ thống khác thể hiện iPKS trong Streptomyces coelcolor . Vật chủ vi khuẩn được biến đổi gen đã tạo ra metyl este của axit béo polycyclopropanated (POP-FAME), có thể có mật độ năng lượng lớn hơn 50 MJ/L (cao hơn nhiên liệu hàng không và tên lửa được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường). Việc tính toán entanpy của quá trình đốt cháy, mật độ năng lượng (dưới dạng giá trị nhiệt thực) và áp suất hơi khiến nhà khoa học kết luận rằng POP-FAME là sự thay thế khả thi cho các nguồn nhiên liệu dựa trên dầu mỏ trong các ứng dụng đòi hỏi năng lượng cao.

Nghiên cứu thừa nhận rằng rào cản tiếp theo sẽ là mở rộng hệ thống này để trở nên hữu ích về mặt thương mại. Sau khi xác định được cấu trúc của các phân tử, các nhà khoa học có thể sử dụng con đường sinh tổng hợp đã được thiết kế này để tăng sản lượng POP-FAME lên gấp 22 lần.