2. Các yếu tố quyết định độc lực
2.1. Biểu hiện và phân tích các yếu tố quyết định độc lực
Rất nhiều vi khuẩn gây bệnh tổng hợp một kho vũ khí gồm nhiều yếu tố quyết định độc lực trong ống nghiệm. Tuy nhiên, trong thời kỳ đầu nghiên cứu quá trình gây bệnh, các kiến thức về hành vi của vi khuẩn gây bệnh trong cơ thể sống được đánh giá là quan trọng hơn.
Các động vật mô hình được sử dụng để so sánh độc lực của các chủng có sự biểu hiện và yếu tố quyết định độc lực khác nhau và đã thu được những thông tin rất hữu ích. Trong khi một số mầm bệnh không gây bệnh trên các động vật mô hình hiện có nên hiện nay chúng ta đang tiếp tục tạo ra các động vật mô hình phù hợp hơn bằng cách cải biến di truyền, chẳng hạn như chúng sẽ biểu hiện các thụ thể tế bào người hoặc chứa các phân tử protein quan trọng khác cần cho quá trình lây nhiễm ở người. Tuy nhiên, không phải tất cả các hội chứng lâm sàng ở người có thể tạo ra được ở động vật và việc ngoại suy từ những nghiên cứu trên động vật cho người có thể nhầm lẫn. Các kỹ thuật sinh học phân tử đã được sử dụng để tạo ra các vi khuẩn đột biến chỉ khác biệt một yếu tố quyết định độc lực nào đó và những loại đột biến này cho phép phân tích chi tiết vai trò của từng loại yếu tố độc lực trong quá trình gây bệnh của vi khuẩn.
Hầu hết các nghiên cứu về yếu tố quyết định độc lực ở vi khuẩn đều được tiến hành trên các mô hình trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các điều kiện sinh trưởng trong môi trường phòng thí nghiệm lại rất khác biệt so với môi trường ở mô sống và do việc biểu hiện rất nhiều yếu tố quyết định độc lực bị ảnh hưởng bởi các nhân tố môi trường nên trong những nghiên cứu cần phải sử dụng môi trường nuôi cấy có các điều kiện gần giống như ở các mô vật chủ.
Các nghiên cứu di truyền học cho thấy việc biểu hiện một số yếu tố quyết định độc lực trên một loại vi khuẩn nào đó đôi khi được kiểm soát theo cách phối hợp. Việc thiếu hụt sắt, một trạng thái thường gặp ở các mô vật chủ, là một tín hiệu kích thích từ môi trường dẫn tới việc tổng hợp ra nhiều loại protein vi khuẩn, bao gồm các yếu tố quyết định độc lực vi khuẩn như haemolysin từ E. coli và độc tố bạch hầu từ Corynebacterium diphtheriae. Trong các loài vi khuẩn khác như
Staphylococcus aureus và Pseudomonas aeruginosa, một số yếu tố quyết định độc lực được tổng hợp chủ yếu ở pha cân bằng. Việc biểu hiện những nhân tố này gắn liền với việc tổng hợp các phân tử cảm ứng hoặc các pheromone trong môi
trường nuôi cấy vi khuẩn và được tích tụ lại khi lượng vi khuẩn sinh trưởng tới hạn và quá trình biểu hiện gene bị ngưng lại – một quá trình có tên quorum
102
sensing. Khả năng điều hòa việc biểu hiện các yếu tố quyết định độc lực có thể
giúp tiết kiệm năng lượng trong các trường hợp việc biểu hiện các yếu tố này là không cần thiết và quorum sensing có vai trò quan trọng trong việc duy trì quần thể tế bào vi sinh vật tại mô đủ lớn, giúp chúng tồn tại. Một điều rõ ràng rằng, hầu hết các vi sinh vật chỉ biểu hiện một vài loại protein của chúng khi chúng tiếp xúc trực tiếp với các tế bào vật chủ.
Các nghiên cứu phân tử cũng cho phép hiểu biết các cơ chế vận chuyển các yếu tố quyết định độc lực ở vi khuẩn. Các yếu tố quyết định độc lực được mã hóa bởi các trình tự DNA trên nhiễm sắc thể, plasmid, thực khuẩn thể, transposon đã được công bố. Một điều thú vị rằng, trong tự nhiên, các nhân tố di truyền này có thể được vận chuyển giữa các sinh vật có quan hệ họ hàng gần, chuyển gene mã hóa các nhân tố độc (ví dụ, các độc tố) theo chiều ngang, biến các vi khuẩn thể nhận thông thường thành dạng thích nghi hơn hoặc độc hơn. Bên cạnh những yếu tố di truyền này cũng tồn tại các cơ chế khác giúp một số vi khuẩn có thể trao đổi các gene độc lực. Ví dụ, neisseriae có khả năng nhận biết và thu nhận các mảnh DNA có các trình tự đặc biệt và tích hợp chúng vào trong hệ gene của mình. Bằng cách này, chúng có thể thay đổi cấu trúc một gene trước đó hay có thêm những tổ hợp gene mới. Hiện nay, hệ gene của nhiều loài vi khuẩn gây bệnh đã được giải trình tự hoàn toàn. Dữ liệu cho thấy nhiều loài vi khuẩn thu nhận rất nhiều nguồn DNA ngoại lai mà trong đó có chứa các gene liên quan tới độc lực. Điều này lại tiếp tục cho thấy quần xã vi sinh vật bao gồm nhiều quần thể động, có sự tương tác mạnh với nhau. Trong quần xã đó, vi khuẩn tiến hóa liên tục và tạo ra những loài gây bệnh mới hoặc những mầm bệnh cũ nhưng có thêm các đặc tính mới.