XK có khả năng sản sinh ra nhiều sản phẩm trao đổi chất quan trọng như chất kháng sinh, vitamin nhóm B, các loại enzym và một số axit hữu cơ.
Các enzym
Ở xạ khuẩn, người ta đã thu nhận được các loại enzym như sau:
-Enzym amylaza: thu nhận từ các loài S. aureofaciens, S. diastochromogens, …Là enzym thủy phân tinh bột thành đường. Vì tinh bột cũng là một trong những sản phẩm chủ yếu của thực vật nên amylaza giữ một vị trí quan trọng trong việc phân giải các sản phẩm với thành phần chủ yếu là tinh bột. Chúng có vai trò trong việc làm sạch MT và được ứng dụng nhiều trong công nghệ sản xuất rượu, bia, bánh mì…
-Enzym xenlulaza: thu nhận từ các loài S. antibioticus, Streptomyces sp. 0143, …Đây là enzym xúc tác phản ứng phân giải lignoxenlulozơ thành glucozơ. Lignoxenlulozơ là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật gồm xenlulozơ (30 – 40%), hemixenlulozơ và lignin (15 – 30%). Enzym này được ứng dụng rộng rãi xử lý phế phải MT, phân giải các phế liệu rẻ tiền từ rơm rạ, mạt cưa, đay gai để tạo ra các sản phẩm có giá trị.
-Enzym proteaza: được dùng nhiều trong công nghiệp chất tẩy rửa, sữa, bia và các lĩnh vực công nghiệp khác như công nghiệp dược, thuộc da, xử lý chất thải, công nghiệp thực phẩm, có tác dụng làm mềm thịt… Các chế phẩm được bán trên thị trường như: chế phẩm Pronaza của Nhật (thu nhận từ S. griseus), chế phẩm có tên M – zim của Mỹ (thu nhận từ S. fradiae). Enzym proteaza được thu nhận từ S. rimosus, S. kinoluteus, S. verticillatus var. zynogenes, S. fradiae,…
côn trùng, nấm, vỏ tôm cua. Chúng có vai trò quan trọng trong việc sản xuất thuốc diệt trừ nấm bệnh hại cây trồng, kể cả những côn trùng gây hại trong nông, lâm, ngư nghiệp [2, 15].
Các chất kích thích sinh trưởng
Chất kích thích sinh trưởng là những chất ở nồng độ sinh lý có khả năng kích thích sự sinh trưởng của cây trồng
Có rất nhiều XK trong đất cũng có khả năng sinh tổng hợp auxin – một dạng phytohoocmon rất có ý nghĩa đối với cây trồng. Auxin có vai trò quan trọng trong sự kiểm soát sự tăng dài của tế bào. Vì tế bào thực vật có vách bao bọc, nên tế bào chỉ có thể tăng trưởng được khi vách tế bào được kéo dài ra. Vách được cấu tạo bởi phần lớn là đường đa mà thành phần chính là xenlulôzơ. Ở vách sơ cấp, xenlulôzơ hiện diện dưới dạng những sợi dài liên kết với các đường đa khác để tạo ra một mạng lưới. Khi tăng trưởng các liên kết có thể bị đứt gãy tạm thời, do đó vách tế bào trở nên đàn hồi hơn và những những vật liệu mới được chen vào. Auxin có vai trò chính trong cả hai quá trình trên. Trong các auxin, β – indole acetic axit (IAA) là một kích thích tố sinh trưởng thực vật được người ta quan tâm nhiều. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng sinh IAA của XK. Các XK có khả năng sinh IAA bao gồm S. olivochromoferus 1/247 có khả năng tạo thành 33 µg IAA/ml canh trường, S. olivochromoferus 1/294 có khả năng tạo thành 9µg IAA/ml canh trường,… [12, 13].
Các chất kháng sinh
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của XK là khả năng hình thành kháng sinh. Trong số 8000 kháng sinh hiện nay thì trên thế giới có trên 80% là có nguồn gốc từ XK.
Theo định nghĩa của viện sĩ Outchinnikov (1987), chất kháng sinh là những chất có nguồn gốc từ thiên nhiên và các sản phẩm cải biến của chúng bằng con đường hóa học có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt VSV khác một cách ngay ở nồng độ thấp (10-3 – 10-2 microgam/ml).
Các nhóm kháng sinh thường gặp của xạ khuẩn là: - Nhóm β-lactam - Nhóm aminoglycosid - Nhóm macrolide - Chloramphenicol - Tetracycline 1.3. Chất kháng sinh
1.3.1. Lược sử nghiên cứu chất kháng sinh
Thuật ngữ “chất kháng sinh” lần đầu tiên được Pasteur và Joubert (1877) sử dụng để mô tả hiện tượng kìm hãm khả năng gây bệnh của vi khuẩn Bacillus anthracis trên động vật nhiễm bệnh nếu tiêm vào các động vật này một số loại VK hiếu khí lành tính khác. Tuy nhiên, những phát hiện này không có ý nghĩa thực tiễn vì các nhà khoa học chưa có trong tay những thứ thuốc công hiệu.
Liên tiếp sau đó,Babes (1885) đã nêu ra định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn của một chủng là đặc tính tổng hợp được các hợp chất hoá học có hoạt tính kìm hãm các chủng đối kháng. Nicolle (1907) là người đầu tiên phát hiện ra hoạt tính kháng khuẩn của Bacillus subtilis có liên quan đến quá trình hình thành bào tử của loại trực khuẩn này. Gratia và đồng nghiệp (1925) đã tách được từ nấm mốc một chế phẩm có thể sử dụng để điều trị hiệu quả các bệnh truyền nhiễm trên da do cầu khuẩn.
Đến tháng 10 năm 1928, tại viện St. Mary, London, Alexander Fleming – nhà sinh vật học người Anh đã phát hiện ra penixillin. Trong khi tiến hành thí nghiệm, ông đã quan sát thấy những KL nấm mốc Penicillium notatum ức chế mạnh, thậm chí làm tan cả khuẩn lạc của tụ cầu khuẩn Staphylococus aureus. Ông đã cấy nấm này vào MT dịch thể và phát hiện thấy dịch nuôi cấy có khả năng
Hình 1.2: Penicillium notatum ức chế sự phát triển của Staphylococus aureus
ức chế hoặc tiêu diệt VK gây bệnh. Fleming đã đặt tên cho chất kháng khuẩn này là penixillin. Một thập kỷ sau, penixillin đã được nghiên cứu và sản xuất với số lượng lớn và trở thành một “loại thuốc thần kì”. Năm 1945 A.Fleming, E. Chain và H. W. Florey đã được nhận giải thưởng Nobel vì đã khám phá ra giá trị to lớn của penixillin mở ra kỉ nguyên mới trong y học – kỉ nguyên kháng sinh [1, 6, 9, 10,15, 16].
Năm 1939, Rene’ Jules Dubos đã phát hiện ra gramixydin và tiroxydin từ quá trình nuôi cấy Bacillus brevis. Trong những năm 1940 – 1959 được coi là thời kỳ hoàng kim của việc nghiên cứu chất kháng sinh. Hàng loạt chất kháng sinh đã được phát hiện ra và có ứng dụng trong y học. Vào năm 1944, Waksman phát hiện ra streptomycin. Năm 1947, Ehrlich phát hiện ra chloramphenicol. Năm 1948, Duggar phát hiện ra clotetraxyclin. Năm 1952, Gurre phát hiện ra erythromycin. Trong giai đoạn từ năm 1960 – 1970 là bước ngoặc đánh dấu sự bùng nổ của ngành công nghiệp về kháng sinh. Trong những năm 1993 – 2002, số lượng các tác nhân kháng khuẩn đã tăng lên từ 90 – 120. Trong khoảng thời gian đó, năm 1999, kháng sinh lospomal HA – 92 ra đời, được tách chiết từ xạ khuẩn Streptomyces CDRLL – 312.
Nó có tác dụng ngăn chặn cholesterol, tăng sức đề kháng đối với các chất độc của chuột, có hoạt tính mạnh chống các nấm gây bệnh.
Tại Nhật Bản (năm 2003), kháng sinh yatakemycin đã được tách chiết từ xạ khuẩn Streptomyces sp. TP – A0356bằng phương pháp sắc kí cột. Kháng sinh này có khả năng kiềm hãm sự phát triển của nấm Aspergillus và Candida albicans, có khả năng chống lại các tế bào ung thư cógiá trị Mic là 0,01 – 0,3 mg/ml [1,16,39 ].
Tại Hàn Quốc (năm 2007) phân lập được loài xạ khuẩn Streptomyces sp. C684
sinh kháng sinh laidlomycin có thể tiêu diệt cả những tụ cầu đã kháng methicillin và các cầu khuẩn kháng vancomycin [1, 16, 39].
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của sinh học hiện đại với sự hỗ trợ của nhiều ngành khoa học khác đã làm cho tốc độ tìm kiếm các chất kháng sinh diễn ra nhanh chóng và đạt được nhiều thành tựu rực rỡ. Nhiều trung tâm nghiên cứu khoa học về y học, dược phẩm và nông nghiệp tại nhiều nước trên thế giới vẫn liên tục phát hiện được hàng loạt chất kháng sinh có giá trị ứng dụng trong thực
tiễn. Để sản xuất chất kháng sinh con người không chỉ tìm kiếm những chủng VSV sinh chất kháng sinh trong tự nhiên mà còn sử dụng nhiều phương pháp như dùng kỹ thuật di truyền và công nghệ gen, gây đột biến định hướng, chọn dòng gen sinh tổng hợp, tạo và dung hợp tế bào trần để cải biến chúng, tạo ra những chủng mới có hoạt tính kháng sinh cao. Đồng thời, tìm kiếm các loại kháng sinh mới và quý trong thời gian ngắn nhất. Đặc biệt, trong gian đoạn hiện nay với sự xuất hiện ngày càng nhiều của những VK đa kháng thuốc và sự thiếu hụt của các nhóm kháng sinh mới đòi hỏi các ngành công nghiệp sản xuất kháng sinh phải cải biến những chất kháng sinh cũ và thúc đẩy công tác nghiên cứu để tìm ra những chất kháng sinh mới phù hợp.
1.3.2. Cơ chế tác động của chất kháng sinh
Cơ chế tác động của chất kháng sinh là những cách thức mà chất kháng sinh tác động lên các vị trí đích khác nhau trong tế bào qua đó ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của VSV. Cơ chế tác động của chất kháng sinh phụ thuộc vào bản chất hóa học và nồng độ của chất kháng sinh. Nhìn chung cơ chế tác động của chất kháng sinh được biểu hiện theo các hướng cơ bản sau: [1,12]
o
Hình 1.3. Vị trí tác động của kháng sinh
Ức chế sự tổng hợp thành tế bào
Thành tế bào của VSV có chức năng duy trì hình dạng đặc trưng cho tế bào và để chịu áp suất thẩm thấu cao ở bên trong nên đây là thành phần cần thiết cho
sự tồn tại của VSV. Cơ chế tác động của kháng sinh lên thành tế bào VSV do can thiệp vào sự hình thành peptidoglycan qua các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: tổng hợp uridindiphosphat (UDP) axetyl muramyl pentapepid. Phản ứng cuối của giai đoạn này thành lập dipeptid D-alanin. Cycloserin ức chế giai đoạn này do cấu trúc tương tự nên cạnh ranh với D-alanin để gắn vào enzym.
Giai đoạn 2: phản ứng kết hợp UDP – axetyl muramyl pentapeptid và UDP – axetyl glucosamin thành một chuỗi nhờ transglucosidase. Các kháng sinh vancomycin, bacitracine ức chế transglucosidase, ức chế sự tổng hợp tiền chất của peptidoglycan.
Giai đoạn 3: hoàn tất đường nối ngang của hai peptidoglycan kế cận. Phản ứng cần sự có mặt của enzym transpeptodase, penicillin ức chế enzym này.
Ức chế sự tổng hợp protein
Kháng sinh thuộc nhóm này gồm có chloramphenicol, erythromycins, lincomycins, tetracyclines, và các aminoglycozit.
Nhóm aminoglycozit ức chế tổng hợp protein theo 2 cách:
+ Ức chế tác động của hỗn hợp khởi đầu RNAm-f-meth-RNAt, gắn với receptor chuyên biệt trên ribosom 30S gây biến dạng ribosom dẫn đến đọc sai mã ở tiểu đơn vị 30S nên mang vào những acid amin không đúng làm protein mất hoạt tính.
+ Chloramphenicol gắn với receptor trên tiểu phần 50S của ribosom ức chế enzim peptidyltransferase, ngăn cản việc gắn kết các axit amin mới vào chuỗi peptit mới.
Các kháng sinh nhóm macrolide và lincoxinamid gắn với tiểu phần 50S của ribosom, ngăn cản sự dịch chuyển của ribosom từ codon này tới codon kế tiếp, kết quả là quá trình dịch mã bị cản trở và sự tổng hợp protein bị dừng lại.
Ức chế quá trình tổng hợp axit nucleic
Axit nucleic (ADN, ARN) là những đại phân tử sinh học không thể thiếu đối với sự sống của tế bào. Sự có mặt của một số chất kháng sinh đã cản trở quá trình tổng hợp axit nucleic bằng cách ức chế sự tổng hợp các nucleotit, ức chế quá trình sao chép hoặc dùng quá trình phiên mã.
Nhóm các các quinolon và fluoroquinolon ức chế mạnh sự tổng hợp ADN do ức chế ADN – gyraza nên không thể mở vòng ADN để sao chép.
Nhóm rifampin gắn với enzym ARN polymeraza ngăn cản quá trình sao mã tạo thành mARN (ARN thông tin).
Nhóm các trimethoprinm tác động vào enzyme xúc tác quá trình tạo nhân purin làm ức chế quá trình tạo axit nucleic [1, 16,12].
Phá hủy màng tế bào
Màng sinh chất là nơi trao đổi các chất giữa tế bào VK với MT bên ngoài. Màng sinh chất có tính chọn lọc để kiểm soát các thành phần bên trong tế bào.
Các kháng sinh colistin, polymyxin, amphotericin có khả năng phá hủy màng sinh chất bằng cách gắn với ergosterol hay cholesterol là thành phần của màng sinh chất. Chúng gây tổn thương màng, tạo nên các lỗ trên màng, khi đó các phân tử lớn và các ion sẽ thoát ra ngoài dẫn tới gây chết tế bào. Màng sinh chất của hầu hết vi khuẩn không có sterol nên chúng có khả năng đề kháng với amphoterixin B. Tuy nhiên, chúng có thể bị phá hủy bởi polymixin và các kháng sinh loại polyen. Kháng sinh này có tác dụng như những chất tẩy loại cation làm xáo trộn tính thẩm thấu của màng sinh chất khiến các ion như Mg2+, K+, Ca2+ thoát ra khỏi tế bào.
Tóm lại các chất kháng sinh từ XK có đặc điểm chung là có tác dụng ngay cả ở nồng độ rất thấp với hoạt tính mạnh và phổ kháng khuẩn khá rộng. Đặc điểm nổi bật của kháng sinh có nguồn gốc từ xạ khuẩn là khả năng bền với nhiệt và tác dụng lên vi sinh vật mang tính chọn lọc.
1.3.4. Các chất kháng sinh có khả năng kháng nấm từ xạ khuẩn
Một số một số nhóm kháng sinh có khả năng kháng nấm từ XK
Kasugamyxin
Kasugamyxin là chất kháng sinh có nguồn gốc từ XK Streptomyces kasugaensis sinh ra (Umezawa và cs, 1965), nhuộc nhóm aminoglycozit. Kháng sinh này dùng để chống bệnh
đậu. Kasugamyxin chỉ có tác dụng mạnh đối với P. oryzae khi dùng trong môi trường axit. Còn đối với VK kể cả Pseudomonas thì tác dụng ở pH trung tính. Đây là đặc điểm cần lưu ý để pha chế khi sử dụng cho từng đối tượng [21].
Polioxin
Polioxin là nhóm kháng sinh thuộc họ nucleotit peptidylpyrimidin, có nguồn gốc từ xạ khuẩn Streptomyces cacaoi var. asoensis sinh ra (Isono và cs, 1965). Chúng có đặc tính là không độc với vật nuôi và cây trồng, không tác dụng với VK và nấm men nhưng có tác dụng kháng nấm mạnh. Chúng có khả năng ức chế sự tổng hợp kitin thành tế bào của nấm gây hại trên các loại cây trồng như cải, cà chua, lúa…( Hori và cs, 1974). Polioxin gây phồng lên một cách bất thường ở đầu ống mầm BT và đầu hệ sợi của nấm (Eguchi và cs, 1968).
R = CH2OH polioxin B R = COOH polioxin D
Blastixidin S
Blastixidin S là kháng sinh được tinh chế từ dịch nuôi cấy xạ khuẩn S. griseochromogenes [169]. Blastixidin S có phổ tác dụng rộng, không những ức chế sự sinh trưởng của P. oryzae mà chúng còn có khả năng ức chế VK, nấm, thậm chí có thể chống u, chống virut (Tanaka và cs 1961, Hairai, Shimomura, 1965). Đối với bệnh đạo ôn trên cây khoai tây, Blastixidin S ức chế mạnh mẽ sự phát triển của hệ sợi P. oryzae.
Hình 1.5: Cấu trúc của polioxin
Validamyxin
Validamyxin là chất kháng sinh do chủng xạ khuẩn Streptomyces hygroscopicus var limoneus sinh ra. Chủng này có thể sinh ra 5 thành phần có cấu trúc tương tự nhau và được định tên từ Validamyxin là B – F, cùng với validoxylamine A (Iwasa và cs, 1971). Chúng có tác dụng tiêu diệt nấm gây bệnh khô vằn ở lúa do Rhizoctonia spp gây ra.
Đặc biệt, validamyxin A có thể đặc trị đối với bệnh thối thân, thối rễ, đốm đen trên nhiều loại hạt (Wakae, Matssura, 1975).
1.3.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng các kháng sinh có nguồn gốc từ xạ khuẩn trên thế giới và Việt Nam. khuẩn trên thế giới và Việt Nam.
Trên thế giới
Hiện tượng cây trồng bị nhiễm nấm đã trở nên phổ biến và tăng lên đáng kể trong nhiều thập kỉ qua. Các nhà bệnh học thực vật trên toàn thế giới đã bỏ ra nhiều năm để điều tra tình hình sử dụng chất kháng sinh từ XK trong việc ngăn chặn các bệnh ở thực vật.
Bộ Nông nghiệp, Hải sản và thực phẩm Anh (MAFF) đã đưa ra chỉ định tất cả các chất kháng sinh dùng trong y học không được phép sử dụng trong nông nghiệp [9, 44].
Ở Hà Lan, 2 chất kháng sinh được phép sử dụng là streptomycin và validamyxin.
Năm 1954, Trung Quốc đã phân lập được Streptomyces.sp 5406 có khả năng sinh chất kháng sinh phòng chống bệnh thối rễ và đã áp dụng trên 6 triệu ha trồng
bông và đã thu được kết quả khả quan [29].