56
Các quá trình bổ trợ cho nhau cho phép một sinh vật chiếm giữ và phát triển tại một môi trường nhất định được gọi là các quá trình sinh lý. Các cách mô tả các nhóm vi khuẩn truyền thống thường nhấn mạnh các đặc điểm giúp nhóm vi khuẩn đó tồn tại trong một môi trường sinh thái nào đó. Do vậy, chúng ta có nhóm ưa acid (acidophile) bao gồm các vi khuẩn chẳng hạn như Lactobacillus spp. có khả năng sinh trưởng trong môi trường có độ pH thấp hơn so với hầu hết các sinh vật khác, hay nhóm ưa mặn (halophile) để chỉ các vi khuẩn có thể sinh trưởng trong môi trường có nồng độ muối cao. Gần đây, các nhà khoa học nhận thấy rằng những vi khuẩn đơn lẻ không bị giới hạn trong một trạng thái sinh lý nào đó. Thay vào đó, chúng phản ứng lại các kích thích từ môi trường và trải qua các phản ứng thích nghi (adaptive responses) giúp cho vi khuẩn có khả năng tồn tại trước sự thay đổi của môi trường. Tất cả những đặc tính này được gọi là khả năng sống của sinh vật. Tuy nhiên, rõ ràng rằng chúng ta khó có thể xác định được khả năng sống của sinh vật bằng cách sử dụng các phương pháp thông thường.
Các đặc điểm đặc trưng mà nhờ đó một sinh vật nhất định thu nhận năng lượng và các nguyên liệu thô để duy trình sinh trưởng của nó (kiểu dinh dưỡng) cùng với các điều kiện vật lý phù hợp với nó tạo thành các đặc điểm sinh lý căn bản của sinh vật. Việc xếp sinh vật vào một nhóm nào đó dựa trên các đặc điểm trên là một bước quan trọng trong phương pháp phân loại thông thường.
3.1. Các kiểu dinh dưỡng
Theo quan niệm truyền thống, toàn bộ các sinh vật sống được chia thành 2 nhóm dinh dưỡng: dị dưỡng (heterotroph) và tự dưỡng (autotroph). Nhóm dị dưỡng phụ thuộc vào nhóm tự dưỡng để tạo ra các phân tử hữu cơ bằng việc cố định CO2, chủ yếu bằng cách quang hợp. Hiện nay chúng ta nhận thấy rằng trao đổi chất ở vi khuẩn rất đa dạng và nó không thể bị bó hẹp ở trong hai kiểu dinh dưỡng như trên. Ba đặc tính cơ bản được sử dụng trong thuật ngữ học hiện nay: nguồn năng lượng (energy source), nguồn cung cấp hydro (hydrogen donor) và nguồn carbon (carbon source).
Năng lượng dùng để tổng hợp adenosine triphosphate (ATP) có thể thu nhận từ ánh sáng thông qua các sinh vật quang dưỡng (phototrophic organism) và từ các phản ứng oxi hóa hóa học ở các sinh vật hóa dưỡng (chemotrophic organism). Nguồn cung cấp hydro xác định một sinh vật là dạng hữu cơ dưỡng (organotroph) nếu nó sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cung cấp hydro hay dạng vô cơ dưỡng (lithotroph) nếu nó có thể sử dụng các nguồn chất vô cơ (NH3
hoặc H2S). Cuối cùng, thuật ngữ tự dưỡng và dị dưỡng được sử dụng để chỉ nguồn carbon mà sinh vật sử dụng. Nhóm tự dưỡng có thể cố định trực tiếp CO2, trái lại nhóm dị dưỡng cần phải sử dụng một nguồn hữu cơ nào đó. Thông thường, chỉ có
57
thuật ngữ năng lượng và chất nhường hydro được kết hợp để gọi tên các nhóm. Do đó chúng ta có nhóm sinh vật hóa-hữu cơ dưỡng (chemo-organotroph) (đa số các sinh vật có vai trò quan trọng trong y học hiện nay thuộc nhóm này) và nhóm sinh vật hóa-vô cơ dưỡng (chemolithotroph) (ví dụ một số loài Pseudomonas
spp.). Thật ngạc nhiên là một số dạng quang vô cơ dưỡng (photolithotroph) cũng có vai trò quan trọng trong y học, chẳng hạn như rất nhiều loài vi khuẩn lam (cyanobacteria) được biết đến với khả năng tổng hợp ra rất nhiều độc tố có thể ảnh hưởng tới con người.
3.2. Các điều kiện vật lý cần thiết cho sinh trưởng
Toàn bộ các sinh vật sống đều sử dụng quá trình oxi hóa để vận chuyển năng lượng tới các hợp chất tham gia vào quá trình sinh hóa, sinh lý bên trong chúng. Quá trình oxi hóa một phân tử luôn kèm theo việc giải phóng hydro và cần sự tham gia của phân tử khác làm chất nhận điện tử. Trong hô hấp hiếu khí
(aerobic respiration), chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình oxi hóa là oxy phân tử (O2), ngược lại trong các điều kiện kỵ khí (anaerobic conditions) (khi không có mặt O2) hầu hết các sinh vật quan trọng trong y học sử dụng một phân tử hữu cơ làm chất nhận điện tử cuối cùng và quá trình oxi hóa được gọi là quá trình lên men (fermentation). Ngoài ra cũng tồn tại một số dạng hô hấp kỵ khí trong đó sử dụng một chất nhận điện tử vô cơ, ví dụ như nitrate. Hô hấp theo cách này thường được sử dụng để chỉ sự tham gia của một chuỗi vận chuyển điện tử gắn màng. Trong giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa sự sống trên trái đất không có sự tồn tại của khí oxy trong khí quyển, do đó trong giai đoạn này, toàn bộ các loài vi khuẩn đều thuộc loại kỵ khí (anaerobe). Sau đó, theo sau sự phát triển của các sinh vật quang tự dưỡng mà lượng khí oxy đã được tích tụ với hàm lượng lớn trong khí quyển và cũng hình thành những sinh vật có khả năng sử dụng khí oxy.
Mặc dù trao đổi chất hiếu khí là hiệu quả hơn trong việc tạo ra năng lượng so với trao đổi chất kỵ khí, tuy nhiên nó cũng có một số hạn chế. Một số phản ứng oxi hóa khử xảy ra khi có mặt khí oxy thường dẫn tới sự hình thành các gốc
superoxide (O2) và hydroxyl (OH) và cả dạng hydrogen peroxide (H2O2), tất cả những dạng này đều rất độc với tế bào. Để giải quyết vấn đề này, các sinh vật hiếu khí có 2 enzyme giúp giải độc những phân tử trên. Superoxide dismutase chuyển hóa các gốc superoxide thành hydrogen peroxide (2 O2 + 2 H H2O2 + O2), ngược lại enzyme catalase chuyển hóa hydrogen peroxide thành nước và khí oxy theo phản ứng 2 H2O2 H2O + O2. Việc có hoặc thiếu hụt hai loại enzyme này có ảnh hưởng quan trọng tới môi trường sinh trưởng và tồn tại của các sinh vật khác nhau. Ngoài ra, khi được tổng hợp ra với lượng lớn, những enzyme này cũng cho
58
phép bảo vệ các sinh vật gây bệnh chống lại các gốc oxy hóa tạo ra từ các tế bào thực bào.
3.3. Nhu cầu về khí cho sinh trưởng
Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng oxy cho sinh trưởng mà người ta chia sinh vật ra các nhóm phân loại khác nhau như được trình bày trong bảng 4.1. Theo đó chúng ta có sinh vật hiếu khí bắt buộc (obligate aerobe) có nhu cầu về oxy ở mức xấp xỉ 20% thể tích không khí; nhóm sinh vật kỵ khí bắt buộc (obligate anaerobe) sinh trưởng trong môi trường thiếu hụt hoàn toàn khí oxy. Ngoài ra, rất nhiều sinh vật thuộc loại trung gian là hiếu khí tùy tiện (facultative aerobe) thường sinh trưởng tốt hơn khi có mặt oxy nhưng cũng có thể vẫn sinh trưởng tương đối tốt khi thiếu hụt oxy. Các sinh vật vi hiếu khí (micro aerophilic organism) cần hàm lượng oxy cho sinh trưởng ở mức thấp hơn (chiếm xấp xỉ 5% thể tích không khí); các sinh vật kỵ khí chịu oxy (aerotolerant anaerobe) có hình thức trao đổi chất lên men nhưng có thể chịu được sự có mặt của khí oxy do chúng có chứa enzyme superoxide dismutase. Rất nhiều sinh vật có vai trò quan trọng trong y học là các sinh vật kỵ khí không bắt buộc. Cơ thể con người chứa các vi môi trường hiếu khí và kỵ khí, do vậy một sinh vật có khả năng sinh trưởng trong cả hai dạng môi trường này sẽ có lợi thế rất lớn. Những sinh vật kỵ khí bắt buộc chỉ có thể lây nhiễm ở những mô nơi dòng máu khó tiếp cận.
Trong số các điều kiện vật lý cần cho sinh trưởng thì nhu cầu về oxy là rất quan trọng vì trong xét nghiệm các môi trường thạch chứa các mẫu vi sinh vật bệnh phẩm được đặt trong môi trường hiếu khí hoặc kỵ khí. Do vậy, khi kiểm tra sinh trưởng của vi khuẩn sau một đêm nuôi cấy thì có thể phân biệt được các chủng thuộc dạng hiếu khí bắt buộc, kỵ khí bắt buộc hay kỵ khí tùy tiện tùy theo điều kiện mà chúng được nuôi cấy. Môi trường lỏng cũng được đặt ở nhiều điều kiện về khí khác nhau. Nếu môi trường không được khuấy đảo, các loài hiếu khí bắt buộc sẽ sinh trưởng trên bề mặt môi trường, nhóm vi hiếu khí sẽ sinh trưởng ở ngay phía dưới lớp bề mặt còn nhóm kỵ khí bắt buộc sinh trưởng trong toàn bộ thể tích bình nuôi cấy còn lại. Sinh trưởng của các loài kỵ khí bắt buộc thường được tăng cường bằng việc bổ sung vào môi trường một số chất khử như cystein hoặc thioglycollate để loại bỏ bất kỳ lượng oxy tự do nào.
Bảng 4.1. Các nhóm phân loại chính dựa trên các điều kiện sinh trưởng
Nhóm phân loại Đặc điểm Ví dụ
59
Hiếu khí bắt buộc Cần lượng oxy khí quyển để sinh trưởng
Pseudomonas aeruginosa
Kỵ khí bắt buộc Không chịu được khí oxy Bacteroides fragilis
Kỵ khí tùy tiện Sinh trưởng tốt nhất khi có oxy nhưng có thể vẫn sinh trưởng được khi không có oxy
Staphylococcus
spp., E. coli,…
Kỵ khí chịu oxy Sinh trưởng kỵ khí nhưng vẫn chịu được sự có mặt của oxy
Clostridium perfringens
Vi hiếu khí Ưa thích điều kiện sinh trưởng với hàm lượng oxy thấp
Campylobacter
spp., Helicobacter
spp. Ưa carbonic Ưa thích điều kiện sinh trưởng
có hàm lượng CO2 cao
Neisseria spp.
Nhu cầu về nhiệt độ cho sinh trưởng
Ưa lạnh (Psychrophile) Sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ thấp (< 10C)
Flavobacterium
spp. Ưa nhiệt (Thermophile) Sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ
cao (> 60C)
Bacillus
stearothermophilus
Ưa ấm (Mesophile) Sinh trưởng tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 20 - 40C
Hầu hết các loài vi khuẩn gây bệnh
3.4. Điều kiện nhiệt độ cho sinh trưởng
Một điều kiện vật lý quan trọng khác cho sinh trưởng của vi khuẩn trong lĩnh vực y học là nhiệt độ (Bảng 4.1). Các tác nhân gây bệnh sinh trưởng trong cơ thể người ở dải nhiệt độ 20 – 40C và thường được gọi là các sinh vật ưa ấm. Các sinh vật có thể sinh trưởng ngoài dải nhiệt độ trên có thể thuộc nhóm ưa lạnh hoặc nhóm ưa nhiệt. Nhóm ưa lạnh có thể sinh trưởng trên thực phẩm hoặc trên các loại dược phẩm được giữ trong ngăn mát tủ lạnh (0 – 8C), trái lại nhóm ưa nhiệt có chứa rất nhiều loại protein chịu nhiệt, chẳng hạn như taq polymerase, loại enzyme sử dụng trong kỹ thuật PCR. Một số sinh vật chẳng hạn như vi khuẩn gây bện phong ưa thích sinh trưởng ở nhiệt độ thấp nên thường phân bố trên bề mặt da, trái lại những sinh vật phân bố trong ruột già có thể sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 44C.
60
3.5. Các sinh vật ưa điều kiện khắc nghiệt (Extremophile)
Một số vi khuẩn lại ưa thích sinh trưởng ở các điều kiện vật lý cực kỳ khắc nghiệt. Ví dụ, các loại vi khuẩn chịu áp suất (barophile) phân lập từ lớp trầm tích dưới đáy đại dương cần phải được nén dưới áp suất cao mới sinh trưởng và sinh sản được. Những đặc điểm của các loại sinh vật như trên gợi nhắc cho chúng ta một điều rằng các vi sinh vật có khả năng sinh trưởng trong bất kỳ môi trường nào nếu tồn tại nguồn năng lượng và dinh dưỡng ở đó. Cần chú ý rằng, hầu hết các sinh vật ưa sinh trưởng ở điều kiện khắc nghiệt đều thuộc nhóm vi khuẩn cổ (Archaea).