Vi khuẩn E. coli có 4 nhóm kháng nguyên chính là kháng nguyên O (Ohne Hauch – somatic-kháng nguyên thân), H (Hauch – flagella- kháng nguyên lông), K (Capsular - kháng nguyên giáp mô) và F (Fimbriae - kháng nguyên bám dính). Có ít nhất 175 kháng nguyên O, 89 kháng nguyên K, 56 kháng nguyên H đã đƣợc xác định (Gyles and Fairbrother, 2005).
Kháng nguyên O
Đây là thành phần chính của vỏ vi khuẩn và cũng đƣợc xem là một yếu tố độc lực của vi khuẩn. Trong trạng thái chiết xuất tinh khiết, kháng nguyên O có bản chất là Lipopolysaccharide (LPS), đây là kháng nguyên chịu nhiệt, khi đun ở 1000C trong 2 giờ 30 phút vẫn giữ đƣợc tính kháng nguyên, giữ đƣợc khả năng ngƣng kết và kết tủa (Đào Trọng Đạt và ctv, 1999). Không bị cồn phá huỷ, có tính chất của một LBS đƣợc cấu tạo gồm 3 thành phần chính là lipid A, nhân Oligosaccharide (core - oligosaccharide) và chuỗi O-specific polysaccharide (Madigan and Martinko, 2006).
Kháng nguyên H
Kháng nguyên H đƣợc cấu tạo bởi thành phần lông của vi khuẩn, có bản chất là protein. Kháng nguyên H có các đặc tính nhƣ dễ bị phá hủy ở 60°C trong 1 giờ, bị cồn 50% và các enzyme phân giải protein phá hủy, kháng nguyên H vẫn tồn tại khi xử lý bằng formol 0,5% (Phạm Hồng Sơn và ctv, 2002). Kháng nguyên H không phải là yếu tố độc lực của vi khuẩn, nhƣng có khả năng tạo miễn dịch mạnh, phản ứng miễn dịch xảy ra nhanh hơn so với kháng nguyên O (Orskov, 1978).
Kháng nguyên này không có vai trò về độc lực, đồng thời không có vai trò trong đáp ứng miễn dịch nên ít đƣợc quan tâm nghiên cứu, nhƣng nó có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định giống, loài của vi khuẩn (Gyles, 1994).
Kháng nguyên K: gồm 3 loại kháng nguyên L, A, B
Kháng nguyên L: không chịu đƣợc nhiệt, bị phá hủy khi đun ở 100oC trong 1 giờ. Trong điều kiện đó kháng nguyên mất khả năng ngƣng kết, kết tủa và không giữ đƣợc tính kháng nguyên.
Kháng nguyên A: là kháng nguyên vỏ chịu nhiệt, không bị phá hủy khi đun sôi ở 100oC trong 2 giờ 30 phút, tính kháng nguyên và khả năng ngƣng kết, kết tủa đều giữ nguyên (Đào Trọng Đạt và ctv, 1999). Ở nhiệt độ 120oC trong 2 giờ kháng nguyên A mới bị phá hủy (Nguyễn Nhƣ Thanh, 1997).
Kháng nguyên B: không chịu nhiệt, ở 100oC trong vòng 1 giờ chúng sẽ bị phá hủy. Khác với kháng nguyên L, khi đun sôi kháng nguyên B chỉ mất tính kháng nguyên, nhƣng vẫn giữ đƣợc khả năng ngƣng kết và kết tủa (Đào Trọng Đạt và ctv, 1999).
Kháng nguyên F (kháng nguyên bám dính)
Hầu hết các E. coli gây bệnh đều sản sinh một hoặc nhiều yếu tố bám dính, chúng bám vào các cơ quan cảm nhận đặc hiệu trên tế bào biểu mô của màng nhày và những lớp nhày kế cận. Những yếu tố bám dính này là phần phụ dạng lông kéo dài từ vách tế bào vi khuẩn và đƣợc cấu tạo từ các tiểu đơn vị protein. Trong nhiều trƣờng hợp, chúng hoạt động nhƣ một giá đỡ cho protein bám vào đầu các sợi vi nhung. Yếu tố bám dính đƣợc phân lập bằng phản ứng huyết thanh học, hay bằng các cơ quan cảm nhận đặc hiệu, cơ quan cảm nhận đặc hiệu này làm ngƣng kết hồng cầu của nhiều loài gia súc khác nhau. Cách đặt tên cho các yếu tố bám dính rất khác nhau. Ví dụ: yếu tố bám dính đầu tiên đƣợc phát hiện trên ETEC gây bệnh cho heo đƣợc biết là kháng nguyên vỏ và đặt tên là K88 và K99. Danh pháp chuẩn hóa hơn dựa vào phản ứng huyết thanh học trong miễn dịch điện di chéo, ký hiệu là F (Orskov et al., 1983) và sử dụng cho đến ngày nay.
Mỗi loại kháng nguyên bám dính có các kháng nguyên tƣơng ứng, phù hợp với cấu trúc điểm tiếp nhận trên bề mặt của tế bào biểu mô nhung mao ruột non của từng loại động vật hoặc từng lứa tuổi động vật nhƣ: K88 có ở E. coli gây bệnh tiêu chảy cho heo con, F18 có ở E. coli gây bệnh phù đầu cho heo theo mẹ và sau cai sữa, 987P có ở E. coli gây bệnh tiêu chảy cho bê nghé, F41 có ở E. coli gây bệnh tiêu chảy cho trẻ em (Nagy and Fekete, 1999).
Hầu hết, các chủng vi khuẩn E. coli gây bệnh đều sản sinh ra một hoặc nhiều kháng nguyên bám dính. Kháng nguyên bám dính cho phép vi khuẩn có thể bám vào các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế bào biểu mô ruột và trên lớp màng nhầy niêm mạc ruột. Có 4 kháng nguyên bám dính quan trọng của vi khuẩn E. coli thuộc nhóm ETEC gây bệnh tiêu chảy trên heo là F4 (K88), F5 (K99), F6 (987P) và F18. Trong đó, kháng nguyên bám dính F4 và F18 chiếm tỷ lệ cao nhất và đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình gây bệnh ở heo (Zhang et al., 2007).
Kháng nguyên bám dính F4
Kháng nguyên bám dính F4 đƣợc Orskov et al., mô tả lần đầu tiên vào năm 1961 đã chiết tách kháng nguyên bám dính F4 bằng phƣơng pháp đun canh khuẩn E. coli trong 20 phút ở 680C để nghiên cứu các tính chất hóa học của kháng nguyên. Kết quả cho thấy kháng nguyên bám dính F4
có bản chất là protein. Khi quan sát dƣới kính hiển vi điện tử, kháng nguyên bám dính F4 bao quanh tế bào vi khuẩn nhƣ lớp áo mỏng và có cấu trúc không ổn định (Guinee and Jansen, 1979).
Cấu trúc kháng nguyên bám dính F4
Kháng nguyên bám dính F4 có chiều dài vào khoảng 0,1-1 µm, đƣờng kính khoảng 2,1 nm và hàng trăm các tiểu phân tử protein nhỏ liên kết với nhau để làm nên lớp lông cho vỏ tế bào vi khuẩn (Klemm, 1981). Phân tích kháng nguyên bám dính F4 chiết tách trên thạch SDS-polyacrylamide cho thấy chỉ có một 1 vạch, chứng tỏ kháng nguyên bám dính F4 đƣợc giải phóng khỏi tế bào vi khuẩn là protein đơn. Trọng lƣợng phân tử của kháng nguyên bám dính F4 chiết tách thay đổi tùy thuộc vào các chủng vi khuẩn và thƣờng dao động trong khoảng 23,5-27,5 kDa (Mooi and de Graaf, 1979a).
Kháng nguyên bám dính F5
Các chủng E. coli mang kháng nguyên bám dính F5 chủ yếu đƣợc tìm thấy ở các chủng E. coli thuộc nhóm ETEC phân lập từ heo sơ sinh, bê con và cừu con mắc bệnh tiêu chảy. Kháng nguyên bám dính F5 thực hiện chức năng gắn tế bào vi khuẩn vào vị trí Neu5Gc-α(2-3)Galp-β(1-4)Glco- β(1-1)-Cerramide trên các điểm tiếp nhận đặc hiệu chủ yếu trên tế bào biểu mô ruột non (Mol and Oudega, 1996). Kháng nguyên bám dính F5 cũng đƣợc mã hóa bởi cụm gen gồm có 8 gen nằm trên plasmid với trọng lƣợng phân tử là 52 MDa . Tiểu phân tử FanC do gen fanC mã hóa đóng vai trò bám dính lên các thụ thể trên niêm mạc ruột (Jacobs et al.,1987).
Kháng nguyên bám dính F6
Kháng nguyên bám dính F6 đóng vai trò trong cơ chế gây bệnh của ETEC bằng cách bám dính vào các tế bào biểu mô niêm mạc ruột, phát triển, tăng sinh về số lƣợng và sản sinh độc tố đƣờng ruột gây bệnh cho heo (Shin et al.,1994). Tám gen (fasA-H) tham gia vào quá trình sinh tổng hợp kháng nguyên bám dính F6 nằm trên plasmid 35 MDa. Kháng nguyên bám dính F6 có cấu trúc dạng xoắn với sự sắp xếp của tiểu phân tử chủ yếu FasA và 2 tiểu phân tử thứ yếu là FasF và FasG. Trong đó, FasF và FasG nằm ở đầu ngoài cùng. Tiểu phân tử FasG đóng vai trò bám dính, giúp kháng nguyên F6 bám lên các thụ thể có bản chất là glucoprotein và glucolipid trên biểu mô ruột (Dean and Samuel, 1994).
Quá trình sinh tổng hợp của kháng nguyên bám dính của vi khuẩn E. coli ảnh hƣởng bởi nhiều yếu tố nhƣ thời gian nuôi cấy vi khuẩn, điều kiện môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn nhƣ: nguồn cung cấp carbon, độ pH của môi trƣờng nuôi cấy, áp suất
thẩm thấu, mức độ cung cấp oxy (Mol and Oudega, 1996). Những chủng vi khuẩn
E. coli có khả năng gây bệnh chỉ giải phóng đầy đủ các yếu tố độc lực khi chúng đƣợc nuôi cấy trong môi trƣờng đảm bảo các điều kiện tƣơng đƣơng cho việc bám dính và xâm nhập vào tế bào niêm mạc ruột non của heo (Krogfelt et al.,1990; Pourbakhsh et al.,1997). Đối với các chủng ETEC có sản sinh kháng nguyên bám dính, điều kiện nuôi cấy tối ƣu là 37o
C, pH 6,8 - 8,0 và lƣợng kháng nguyên thu đƣợc nhiều nhất ở cuối pha tăng trƣởng (Mol and Oudega, 1996).