Mặc dù một số vi khuẩn hấp thu các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng theo các cách dường như là khác biệt so với chúng ta, tuy nhiên thực chất việc trao đổi chất của chúng lại rất giống với trao đổi chất của tế bào động vật. Về cơ bản thì các chu trình như đường phân, Crep, phosphoryl hóa oxi hóa, sinh tổng hợp ATP và amino acid đều giống nhau mặc dù có một vài khác biệt nhỏ. Sự khác biệt về các chu trình cung cấp nguồn nguyên liệu cho, hoặc chuyển hóa sản phẩm của các chu trình lõi trên ở các loài vi khuẩn khác nhau đã được nhận biết thông qua các test sinh hóa trong phòng thí nghiệm y học. Những tính trạng được kiểm tra như khả năng sử dụng một nguồn carbon đơn lẻ nào đó để tạo ra các loại acid hay việc sở hữu một loại enzyme đặc hiệu nào đó.
Tính chất chung của các chu trình đồng hóa và dị hóa trung tâm ở vi khuẩn và các sinh vật đa bào đã phản ánh khía cạnh “kinh tế” của sinh học và tiến hóa. Các quá trình hoạt động tốt sẽ không bị thay thế và có xu hướng được duy trì trong kho vật chất di truyền. Do đó, rất nhiều enzyme đặc hiệu tham gia vào quá trình trao đổi chất ở vi khuẩn thể hiện mức độ bảo thủ rõ rệt trong trình tự amino acid của chúng mặc dù các loài vi khuẩn này có khác biệt lớn về khoảng cách tiến hóa. Phương pháp đọc trình tự DNA đã cho phép xác định các họ phân tử protein có chung một nguồn gốc tiến hóa. Bên cạnh các enzyme tham gia vào quá trình trao đổi chất thì rất nhiều loại protein vận chuyển (chịu trách nhiệm về việc hấp thu và giải phóng ra các cơ chất đặc hiệu vào và ra khỏi tế bào chất vi khuẩn) có sự tương đồng về cấu trúc và hoạt động chức năng với các protein vận chuyển ở tế bào động vật. Do ở tế bào vi khuẩn thường chỉ có một ngăn duy nhất để các protein hoạt động, vì vậy vị trí của các protein này cũng thường khác biệt. Ví dụ, vì vi khuẩn không có ty thể nên màng sinh chất sẽ chứa các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử và gradient proton qua lớp màng trong ty thể được thay bằng gradient proton qua màng sinh chất. Đặc điểm này cho thấy vi khuẩn có thể tiến
61
hành một số quá trình cần năng lượng tại bề mặt tế bào, điển hình là việc xoay lông roi, bằng việc khai thác trực tiếp gradient proton chứ không cần phải sử dụng ATP.
Hình 4.2. Phương pháp xác định biểu hiện gene ở cấp độ phiên mã và dịch mã Bên cạnh vai trò đối với việc phân loại, trao đổi chất vi khuẩn có ảnh hưởng trực tiếp tới con người. Một cách trực tiếp, hệ vi sinh vật tồn tại sẵn trong cơ thể người có ảnh hưởng tới sức khỏe và bệnh tật của con người. Ví dụ, vi khuẩn có trong mảng bám răng (cao răng) tạo ra acid khi có mặt của một số loại đường và loại acid này gây ra bệnh sâu răng. Ở mặt tích cực, các loại vi khuẩn ký sinh trong ruột có thể tách muối mật và do đó góp phần vào tuần hoàn ruột. Tổng số vi sinh vật và hệ gene của chúng trong cơ thể người được gọi là microbiome. Việc ứng dụng kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới nhằm xác định một cách trực tiếp hệ vi sinh vật và các gene của chúng tồn tại trong các vị trí khác nhau trên cơ thể người đã
62
đem đến những hiểu biết mới về cách thức mà các gene của vi sinh vật và sự biểu hiện của chúng có thể tương tác với cơ thể con người trong việc tạo ra sức khỏe và bệnh tật.
Con người cũng bị ảnh hưởng một cách gián tiếp bởi trao đổi chất ở vi sinh vật. Ở một mức độ, tính chất hóa học của môi trường sống của chúng ta được định hình bởi các vi sinh vật; sự hình thành oxy của khí quyển, sự tồn tại các nguyên tố lưu huỳnh và vòng tuần hoàn nitơ đều phụ thuộc rất lớn vào trao đổi chất ở vi khuẩn. Khai thác trao đổi chất ở vi sinh vật trong công nghiệp đã tạo ra ethanol và rất nhiều loại rượu và axit có giá trị kinh tế khác thông qua quá trình lên men. Cuối cùng, vi khuẩn cũng đã được sử dụng để giải quyết các hậu quả của vấn đề ô nhiễm môi trường trong một quá trình được gọi là xử lý sinh học
(bioremediation).
4.1. Các phản ứng thích nghi của vi khuẩn
Trước đây, khía cạnh phản ứng của vi khuẩn trước những kích thích từ môi trường được xác định bằng cách nhận biết sự thay đổi về kiểu hình, đặc tính sinh hóa và cách thức phản ứng của chúng. Rất nhiều cơ sở di truyền của việc phản ứng của vi khuẩn thay đổi kiểu hình của chúng như thế nào được công bố vào những năm 1960 – 1970 sau khi công bố mô hình điều hòa biểu hiện β-
galactosidase của Jacob và Monod. Ở mức độ dịch mã, việc sử dụng phương pháp điện di 2 chiều và gần đây là phương pháp khối phổ đã cung cấp nhiều dữ liệu về lĩnh vực được gọi là proteomic (hệ protein). Kỹ thuật này cho phép phát hiện và phân tích hàng trăm loại protein được tổng hợp từ một dòng tế bào thuần tại một thời điểm cụ thể. Thành phần các loại protein được xác định ở một thời điểm cho thấy những loại protein này là cần thiết cho vi khuẩn thực hiện chức năng tại thời điểm đó. Gần đây, việc phát triển kỹ thuật DNA array đã cho phép phân tích tổng thể các đáp ứng của tế bào ở cấp độ dịch mã thông qua việc phát hiện các phân tử mRNA có liên quan tới bất kỳ gene nào trong tế bào chỉ bằng một thao tác thí nghiệm. Họ các phân tử RNA có trong một sinh vật ở một thời điểm nhất định được gọi là hệ phiên mã (transcriptome). Các tính chất cơ bản của phương pháp phân tích so sánh protein và RNA được chỉ ra trong hình 4.2.
Các phân tích tổng thể có được dựa trên các nghiên cứu về hệ phiên mã và hệ protein (proteome) dựa trên các dữ liệu về toàn bộ hệ gene (genomic) đã cho phép chúng ta hiểu được hầu hết các hiện tượng sinh học và y học. Hiện nay chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên, nơi các phân tích về hệ mRNA, hệ protein và hệ trao đổi chất (metabolomic) được thực hiện và phân tích bằng các công cụ máy tính, cho phép phân tích nhiều dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, được gọi là lĩnh vực sinh học hệ thống (systems biology).
63
4.2. Phản ứng tự vệ của vi khuẩn trước những loại hóa chất độc
Trong thế giới tự nhiên, các vi sinh vật phải tiếp xúc trực tiếp với rất nhiều loại chất hóa học có thể phá hủy và tiêu diệt chúng và trong hơn 3.5 triệu năm tiến hóa, vi sinh vật đã hình thành rất nhiều cơ chế bảo vệ. Trong lĩnh vực lâm sàng, những cơ chế như vậy được biết tới với tên gọi những cơ chế sinh hóa của khả năng kháng thuốc kháng sinh. Có 4 loại cơ chế cơ bản:
Ngăn cản các chất độc xâm nhập tế bào: thực hiện thông qua việc giảm tính thấm của lớp vỏ tế bào hoặc bơm các chất độc ra ngoài.
Phân hủy cấu trúc: thực hiện thông qua các enzyme có khả năng phân hủy cấu trúc các hợp chất hóa học.
Không tổng hợp phân tử đích: rất nhiều chất hóa học gây hại cho vi khuẩn bằng cách liên kết với các phân tử đích đặc hiệu. Do vậy vi khuẩn có thể không tổng hợp phân tử đích đó hoặc thay đổi nó thông qua đột biến.
Thay đổi chu trình: trong một số trường hợp vi khuẩn sử dụng một chu trình thay thế khác mà chất hóa học không tác động tới.
Các cơ chế này có thể xuất hiện tự nhiên ở một sinh vật nào đó hoặc có thể có được thông qua quá trình đột biến hoặc chuyển gene giữa các vi khuẩn với nhau. Không phải toàn bộ các đặc tính kháng của vi sinh vật với các chất độc hại đều dựa trên các cơ chế liệt kê phía trên. Ở trạng thái không phân chia hoặc trong cấu trúc màng sinh học, những vi khuẩn được xem là nhạy với các tác nhân hóa học lại có khả năng kháng lại tác động của các tác nhân đó.