Khi vi rút lây nhiễm vi khuẩn

Vi khuẩn có thể bị lây nhiễm bởi những virus nhỏ bé gọi là thực khuẩn thể (phage). Virus không có cấu trúc như một tế bào mà chỉ là một đoạn DNA được bao bọc bởi một lớp áo protein. Khi một vi khuẩn bị tấn công bởi virus, các thực khuẩn thể có thể nhân lên rất nhanh cho đến khi lớp vỏ vi khuẩn bị bùng phát và giải phóng ra rất nhiều phage mới, tiếp tục tấn công các vi khuẩn khác.

Virus là loài ký sinh phong phú nhất trên Trái đất. Các loại vi rút nổi tiếng, chẳng hạn như vi rút cúm, tấn công vật chủ là người, trong khi vi rút như vi rút khảm thuốc lá lây nhiễm sang vật chủ là thực vật.

Phổ biến hơn, nhưng ít được hiểu biết hơn, là các trường hợp vi rút lây nhiễm vi khuẩn, được gọi là thực khuẩn thể (phage). Nguyên nhân của sự kém tiếp cận này một phần là do sự khó khăn trong việc nuôi cấy vi khuẩn và vi rút đã bị tách khỏi môi trường sinh học thông thường của chúng trong một quy trình gọi là in vitro.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California, được tài trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, là những người đầu tiên sử dụng một kỹ thuật thông minh để xem xét các tương tác giữa vi rút và vi khuẩn trong cơ thể sống, tức là trong trạng thái bình thường của một sinh vật. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo kết quả này trong số ra ngày 1 tháng 7 của tạp chí Science.

Trong một trường hợp thử nghiệm, Rob Phillips và các cộng sự của ông đã xem xét sự tương tác giữa vi rút và vi khuẩn. Sử dụng công nghệ vi lỏng mới, nhóm nghiên cứu có thể phân lập các tế bào vi khuẩn đơn lẻ khỏi quần thể của chúng. Sau đó, các khoang chứa DNA của vi khuẩn, DNA của virus hay cả hai cũng sẽ lần lượt được xác định.

Trong một trường hợp khác, các nhà nghiên cứu có thể suy luận theo cách thống kê xem liệu vi rút có liên kết cụ thể với vật chủ hay không. Ví dụ bằng cách gắn vào vật chủ, bắn đoạn DNA của nó vào vật chủ hay kết hợp vào vật chủ dưới dạng prophage (khi bộ gen của virus được chèn và tích hợp vào DNA của vi khuẩn) dựa trên vòng plasmid. Thông qua các hình ảnh chụp này, nhóm nghiên cứu đã ghi lại các mối liên quan giữa vi rút và vi khuẩn.

Cụ thể vi rút lây nhiễm vi khuẩn thường xuyên có sự tương ứng giữa vi-rút, vi khuẩn theo tỷ lệ một - một. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, vật chủ được kết hợp với một gen virus thể hiện sự đa dạng rõ rệt, cho thấy có thể là một loại nhiễm trùng cổ xưa hơn, vật chủ nhạy cảm hơn hoặc thực khuẩn nhân bản với độ nguyên bản thấp hơn. Bằng cách phân tích vi khuẩn và vi rút dựa trên sự phát triển tiến hóa của chúng, các nhà khoa học có thể suy ra rằng sự chuyển gen ngang, mặc dù có thể xảy ra, nhưng không xảy ra với tốc độ đủ cao để ngẫu nhiên hóa các liên kết giữa vật chủ và virus.

Kết quả của nghiên cứu này chưa thật sự đầy đủ và việc tìm hiểu sâu hơn có thể giúp hiểu rõ hơn về hệ số nhân bản của virus và vật chủ của nó. Tuy nhiên, đây là những thử nghiệm in vivo đầu tiên và các kết quả này đã giúp mở ra cánh cửa ứng dụng trong tương lai. Theo đó, giới hạn của lĩnh vực này đã rộng hơn nhiều so với trước đây chỉ có thể thực hiện thông qua nuôi cấy trong ống nghiệm.

Để lây nhiễm cho vi khuẩn, hầu hết các thực khuẩn đều sử dụng một “đuôi” chuyên biệt để đâm và xuyên qua màng của vi khuẩn, cho phép virus đưa vật chất di truyền nó vào môi trường nội bào của vi khuẩn.

Chính “đuôi” của virus quyết định khả năng thành công của cơ chế của vi rút lây nhiễm vi khuẩn. Theo đó, cơ thế của “đuôi” khá phức tạp, bao gồm một vỏ bọc co lại bao quanh một ống giống như một lò xo cuộn bị kéo căng ở kích thước nano. Khi vi rút bám vào bề mặt vi khuẩn, vỏ bọc sẽ co lại và đẩy ống đi qua nó. Đây chính là cầu nối giúp cho virus chuyển bộ DNA vào và gây lây nhiễm cho vi khuẩn, tức tạo thành thực khuẩn thể.

Thực khuẩn thể hay phage phân bố rộng rãi trên khắp hành tinh. Chúng đi cùng với vi khuẩn ở khắp mọi nơi, trong đất, nước, suối nước nóng, tảo, ruột động vật, v.v. và có tác động mạnh mẽ đến sự đa dạng của quần thể vi khuẩn, bao gồm cả hệ vi sinh vật trong đường ruột người. Đồng thời, thực khuẩn thể cũng là công cụ không thể thiếu trong di truyền học và sinh học phân tử, thậm chí còn đang được phát triển để thay thế cho thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, cơ chế mà những virus này gắn vào tế bào chủ và phân phối vật chất di truyền của chúng một cách rõ ràng và có thể tái tạo bằng nhân tạo vẫn chưa được hiểu rõ.

Tại sao việc nghiên cứu các thực khuẩn thể trong ruột lại đáng được quan tâm? Tại sao các nhà khoa học không ngừng tìm hiểu khả năng của những sinh vật đơn giản nhưng phức tạp này?

Một lý do tuyệt vời cho việc nghiên cứu vi rút lây nhiễm vi khuẩn là học được rất nhiều nguyên tắc sinh học cơ bản thông qua nghiên cứu các thực khuẩn thể này. Rất nhiều giải Nobel đã được trao cho các nhà nghiên cứu về thực khuẩn thể cũng vì lý do đó. Gần đây, giải Nobel Hóa học năm 2018 đã được trao cho George Smith và Gregory Winter, những người đã sử dụng phage trong thực tế để phát triển và đột biến nhanh chóng giúp sản xuất các kháng thể mới được sử dụng để chữa nhiều bệnh, bao gồm cả các bệnh lý ung thư.

Một vai trò khác của việc nghiên cứu vi rút lây nhiễm vi khuẩn là để cung cấp các cơ chế điều khiển hoặc thiết kế hệ vi sinh vật. Với giả thuyết cơ bản các phage là một trong những phần quan trọng nhất của hệ vi sinh vật, các nhà khoa học không ngừng thiết kế và tiến hành trong các phòng thí nghiệm để kiểm tra ý tưởng đó. Từ đó, những hiểu biết về khả năng chuyển sang thực khuẩn thể từ một hệ vi sinh vật khỏe mạnh dưới tác động của thuốc sẽ có vai trò cốt lõi trong việc điều chế thuốc kháng virus trong tương lai.

Một nhà khoa học nổi tiếng tên là Sir Peter Medawar đã từng mô tả virus là “một mẩu tin xấu được gói gọn trong một protein”. Tuy nhiên, trong tương lai, các phage hay các thực khuẩn thể đang được xem như là “một cơ hội được gói gọn trong một protein”.

Tóm lại, virus là những phần tử lây nhiễm cực nhỏ được cấu tạo bởi lớp áo protein và lõi axit nucleic, có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau và lây nhiễm cho tất cả các sinh vật sống, bao gồm cả vi khuẩn. Hiểu biết sâu sắc về quá trình lây nhiễm của vi rút cho vi khuẩn có thể tạo điều kiện cho các chiến lược điều trị mới trong tương lai đối với các bệnh do vi rút nói riêng hay các bước tiến đột phá có ý nghĩa lớn đối với khoa học và y học nói chung.

Nguồn tham khảo: sciencedaily.com - ncbi.nlm.nih.gov - nsf.gov