S. mutans cú khả năng gõy sõu răng là do vi khuẩn này cú khả năng sinh axit
mạnh và chịu axit tốt. S. mutans là vi khuẩn Gram (+), cú thể sinh trưởng hiếu khớ hay kị khớ. S. mutans trong điều kiện kị khớ (đỏy mảng bỏm răng) thiếu oxy chỳng lờn men kỵ khớ, tạo axit lactic gõy ăn mũn men răng và gõy sõu răng. Cỏc vi khuẩn thuộc nhúm Streptococcus như S. mutans, S. gordonii và S. salivarius đều lờn men
đường để lấy năng lượng cho sinh trưởng và phỏt triển. S..mutans chuyển hoỏ
sucrose thành glucose và fructose, sau đú lờn men fructose. S. mutans, S. gordonii lờn men sử dụng cả sucrose lẫn fructose cũn S..salivarius cú thể lờn men glucose,
sucrose nhưng chủ yếu là lactose [88].
Streptococcus mutans cú thể sinh axit là do chỳng cú khả năng sản xuất cỏc
polysaccharide ngoại bào. Cỏc polysaccharide ngoại bào cú vai trũ hỡnh thành cỏc lưới màng tạo chỗ bỏm cho tế bào đồng thời sản sinh ra cỏc sản phẩm lờn men cú tớnh axit cao. Bờn cạnh đú S. mutans cũn cú khả năng sản xuất cỏc polysaccharide
nội bào từ cỏc nguồn đường khỏc nhau. Hợp chất này được tế bào tiếp tục sử dụng để sản xuất axit khi khụng cú đường đưa từ ngoài vào. Cỏc vi khuẩn S. mutans tớch luỹ polysaccharide nội bào và gúp phần làm phỏt sinh bệnh sõu răng. Trong số cỏc dạng huyết thanh khỏc nhau của vi khuẩn S. mutans dạng d và dạng g sản xuất cỏc polysaccharide nội bào ớt hơn so với dạng c và e [106].
Streptococcus mutans cú khả năng bỏm dớnh trờn bề mặt răng và tổng hợp polysaccharide ngoại bào là glucan và fructan từ đường sucrose nhờ sự xỳc tỏc của enzyme glucosyl transferase (EC 2.4.1.5) và fructosyl transferase (EC 2.4.1.10). Cỏc polysaccharide đặc biệt là glucan là nhõn tố quan trọng quyết định hỡnh thành mảng bỏm răng và do đú gõy ra bệnh sõu răng vỡ chỳng khụng hoà tan trong nước và cú khả năng kết dớnh khi tổng hợp với cỏc chất cứng khỏc trờn bền mặt [88]. S.
mutans cũn cú khả năng polymer hoỏ glucose hay fructose thành cỏc dextran
(glucan khụng tan), gắn vi khuẩn vào men răng và tạo thành lớp vỏ. Lớp vỏ này chứa từ 300 đến 500 lớp tế bào và chớnh là chất nền của mảng bỏm răng. Cỏc nhúm
S. mutans khỏc nhau cũng cú khả năng tổng hợp glucan này theo cỏc mức độ khỏc
nhau. Dạng d của vi khuẩn S. mutans tổng hợp được lượng lớn glucan hơn dạng c và tỷ lệ giữa glucan khụng tan và glucan tan cao cũng cao hơn. Glucan được tổng
hợp khi nuụi cấy S. mutans trong mụi trường cú bổ sung đường theo tỷ lệ 1 phần
glucan khụng tan và 3 phần glucan hoà tan. Cơ chế điều hoà cho việc tổng hợp glucan tan trong nước và quan hệ với phần khụng tan cũn đang được tiếp tục làm sỏng tỏ [88, 178].
Một đặc trưng sinh lý húa sinh quan trọng của S. mutans là khả năng sử dụng đường glucose. Trong mụi trường dư thừa đường glucose, quỏ trỡnh trao đổi glucose của S. mutans tạo sản phẩm là axit lactic làm mũn men răng, dẫn tới sõu răng.
Quỏ trỡnh tiờu thụ glucose được bắt đầu bằng sự phosphoryl hoỏ glucose của hệ thống phosphotransferase (PTS):
Hệ thống vận chuyển đường chủ yếu vào tế bào S. mutans là thụng qua hệ
thống phosphotransferase. Cơ chế hoạt động của hệ thống này là phosphoryl hoỏ đường phụ thuộc phosphoenolpyruvat (PEP). Quỏ trỡnh này liờn quan đến 3 protein, phụ thuộc vào loại đường được vận chuyển, đú là protein Hpr, cỏc enzym I và II. Cỏc nhúm phosphoryl sẽ được chuyển từ PEP cú vai trũ như chất cho phosphat đến enzyme I, HPr, enzyme II và cuối cựng đến glucose . Enzym I là dimer, phối hợp với HPr, là một monomer nhỏ, cả 2 đều là protein trong tế bào chất và khụng đặc hiệu với đường, cũn enzyme II đặc hiệu với từng loại đường được vận chuyển. Mỗi protein được phosphoryl hoỏ là một chất trung gian giàu năng lượng [58, 155, 169].
1.2.3. Cơ sở phõn tử của đỏp ứng stress ở vi khuẩn S. mutans
Cỏc vi khuẩn trong mảng bỏm răng luụn phải chịu cỏc stress như stress axit, stress oxy húa, vậy cỏc vi khuẩn trong mảng bỏm răng tồn tại và thớch nghi với điều kiện stress bằng những cơ chế nào? Đó cú nhiều nghiờn cứu tỡm hiểu sự đỏp ứng stress của vi khuẩn S. mutans [90, 162, 163]. Cỏc nghiờn cứu chủ yếu tập trung vào hai loại stress chớnh ở S. mutans là stress axit và stress oxy hoỏ. Sở dĩ như vậy là vỡ stress axit cú liờn quan trực tiếp tới khả năng sinh axit của một số vi khuẩn đường miệng và sự huỷ khoỏng của răng, dẫn đến sõu răng; cũn stress oxy hoỏ liờn quan
Enzyme II
Photpho- HPr + glucose glucose-6-P + HPr
Enzyme I
tới cỏc chất oxy hoỏ được sinh ra trong quỏ trỡnh trao đổi chất của vi khuẩn đường miệng hoặc cú sẵn trong cỏc sản phẩm bảo vệ răng, miệng. Như vậy, khi
Streptococcus mutans cú khả năng thớch nghi và chống chịu với hai loại stress này
thỡ bệnh sõu răng càng trở nờn nghiờm trọng và việc chăm súc và bảo vệ răng, miệng cũng sẽ gặp rất nhiều khú khăn.
1.2.3.1. Đỏp ứng stress axit ở vi khuẩn Streptococcus mutans
Streptococcus mutans được xem là tỏc nhõn chớnh gõy sõu răng, do vi khuẩn
này cú khả năng sinh axit mạnh và chịu axit tốt. Đặc tớnh chịu axit của S. mutans do vi khuẩn này cú khả năng thớch nghi với axit. Sự hỡnh thành cỏc axit hữu cơ, đặc biệt là axit lactic trong khoang miệng là nguyờn nhõn chớnh làm cho mụi trường miệng cú tớnh axit. Để tồn tại và phỏt triển trong mụi trường axit bản thõn S. mutans cú những cơ chế đặc biệt để cú thể thớch nghi nhanh chúng với stress axit và chống chịu với stress axit trong thời gian dài. Cỏc nghiờn cứu gần đõy của Quivey và tập thể [162, 163] khẳng định cỏc loài vi khuẩn trong miệng thuộc nhúm mutans như S.
mutans, S. sobrinus, cú thể sống trong mụi trường pH thấp dưới 4 tốt hơn so với cỏc
loài vi khuẩn khụng thuộc chi này, như S. sanguis, S. oralis và S. gordonii.
Takahashi và tập thể [188] cũng cho thấy đối với cỏc loài vi khuẩn khụng phải nhúm mutans khi được sinh trưởng trong mụi trường pH 7 thỡ tỷ lệ sống sút sau 1 giờ dao động trong khoảng từ 0,0088% đến 77% khi mụi trường bị axit hoỏ ở pH 4. Trong khi đú, cỏc loài vi khuẩn thuộc nhúm mutans Streptococcus khụng bị giết bởi sự axit hoỏ này. Như vậy, cỏc vi khuẩn đường miệng sản xuất axit lactic cú khả năng chống chịu axit tốt hơn. Cỏc nghiờn cứu khỏc của Burne và Marquis [53] cho thấy rằng cỏc vi khuẩn S. mutans hay Lactobacillus casei cú khả năng chịu axit tốt hơn Streptococcus sanguis. Điều này cho thấy sự thớch nghi và chống chịu axit cú thể đem lại cả hai khớa cạnh cú lợi và cú hại liờn quan tới bệnh sõu răng.
Đối với cỏc vi khuẩn đường miệng, sự axit húa của mụi trường ngoại bào sẽ ảnh hưởng tới cỏc enzyme tham gia quỏ trỡnh đường phõn và gõy nờn những tổn thương cấu trỳc của cỏc đại phõn tử như ADN, protein v.v... Khi nghiờn cứu vấn đề này nhiều nhà khoa học cho rằng sở dĩ vi khuẩn S. mutans cú khả năng thớch nghi tốt với mụi trường axit là nhờ (i) hoạt động của ATPase, (ii) sự thay đổi của màng tế bào, (iii) cơ chế bảo vệ và sửa chữa cỏc đại phõn tử.
Khả năng thớch nghi mụi trường axit của S. mutans liờn quan đến nhiều cơ chế khỏc nhau, quan trọng nhất là hoạt động bơm proton của hệ thống ATPase. Hệ thống này cú chức năng bơm proton ra ngoài, duy trỡ pH nội bào ổn định trong tế bào vi khuẩn khi mụi trường ngoại bào bị axit húa. ATPase là enzyme liờn kết màng cú cả hoạt tớnh phõn giải lẫn hoạt tớnh tổng hợp ATP [162]. Vi khuẩn S. mutans tạo ATP từ cỏc quỏ trỡnh đường phõn. Khi mụi trường bị axit húa, S. mutans sử dụng ATPase phõn giải ATP thành ADP, sinh năng lượng. Năng lượng này được sử dụng để bơm H+ từ tế bào chất ra ngoài màng tế bào, thiết lập trạng thỏi cõn bằng pH nội bào [45, 47].
ATPase bao gồm 8 tiểu đơn vị, tồn tại như một tổ hợp protein (F0-F1) liờn kết màng cú khả năng kết hợp giữa việc sản xuất ATP và vận chuyển proton. Tổ hợp F0 nằm trờn màng tế bào cú hoạt tớnh vận chuyển proton bao gồm cỏc tiểu đơn vị a, b,c. Cỏc tổ hợp F1 liờn kết với nhau theo kiểu vũng trũn bao gồm cỏc tiểu đơn vị , , và . ATPase cú hoạt tớnh khi F1 được giải phúng khỏi màng, lỳc này nú xỳc tỏc cho quỏ trỡnh vận chuyển proton kết hợp với sự sinh tổng hợp hay thủy phõn ATP. Một điều thỳ vị ở ATPase là pH tối ưu của cỏc tiểu đơn vị F1 là giống nhau, chỉ khỏc nhau đỏng kể ở phần liờn kết với F0 [52].
Khụng giống cỏc vi khuẩn đường ruột cú pH nội bào ổn định, S. mutans cú pH nội bào thay đổi theo mụi trường bờn ngoài và phụ thuộc vào hoạt động của enzyme ATPase để bơm proton ra khỏi tế bào [162]. Sự khỏc nhau về khả năng chịu axit của vi khuẩn S. mutans liờn quan đến khả năng bơm proton. Khả năng thực hiện quỏ
trỡnh đường phõn và chống chịu axit của cỏc vi khuẩn S. mutans phụ thuộc chủ yếu vào việc loại bỏ proton ra khỏi tế bào chất nhờ hoạt động của ATPase [29]. Cỏc chất ức chế ATPase như dicycloacyl carbodiimide (DCCD), fluo và gramicidin cú tỏc dụng làm tăng tớnh thấm proton. Cỏc nghiờn cứu cũng chỉ ra giỏ trị pH mà tại đú khả năng thấm proton thấp nhất khỏc nhau ở cỏc loài khỏc nhau, vớ dụ như S. mutans ở pH 5, S. salivarius ở pH 6 hay S. sanguis ở pH 7 tương ứng với pH tối ưu
cho hoạt động của ATPase lần lượt là 6, 7 và 7,5. Mối tương quan này phản ỏnh khả năng chống chịu axit của cỏc vi khuẩn và vai trũ quan trọng của ATPase trong việc chống lại stress axit [44, 185].
Vi khuẩn nhúm Streptococcus khụng cú chuỗi hụ hấp nờn khụng cú khả năng sử dụng phức hệ F0-F1 để tổng hợp ATP thụng qua con đường phosphoryl hoỏ oxy hoỏ [120]. Do đú, vai trũ của phức hệ trong cỏc vi khuẩn này là bơm H+ ra ngoài để thiết lập trạng thỏi cõn bằng pH. Tầm quan trọng của phức hệ F0-F1 đó được chứng minh bằng việc tạo ra cỏc đột biến nhạy cảm axit ở pH 6,0 do bị thiếu hụt phức hợp này. Rừ ràng khả năng tạo ATP nhờ ATPase ở pH thấp cú ý nghĩa cơ bản cho sự sống sút của vi khuẩn ở pH thấp cho đến khi pH mụi trường tăng lờn [67].
Cỏc nghiờn cứu về sinh lý, hoỏ sinh của vi khuẩn xoang miệng đó chứng minh rằng màng tế bào của cỏc vi khuẩn này đúng vai trũ quan trọng trong quỏ trỡnh điều hoà axit-bazơ. Vai trũ này bao gồm việc bơm proton ra khỏi tế bào và loại bỏ proton khỏi mụi trường, nhờ vậy khi cỏc vi khuẩn sản xuất nhiều axit hay ở trong mụi trường bị axit húa thỡ pH nội bào ở tế bào chất luụn cao hơn pH ở mụi trường bờn ngoài. Sự chờnh lệch pH qua màng là điều kiện quan trọng cho hoạt động của cỏc hệ thống nhạy cảm axit trong tế bào như hệ thống đường phõn [60].
Cỏc nghiờn cứu của Bender và tập thể [46] và sau đú của Ma và tập thể [132] đều cho thấy tớnh thấm proton của màng tế bào S. mutans giảm đi khi tế bào thớch nghi với điều kiện pH thấp. Trong quỏ trỡnh thớch nghi này, màng tế bào đó cú những thay đổi nhằm đỏp ứng lại những tỏc động bất lợi của stress axit. Sự điều chỉnh này đó được Quivey và tập thể [162] phỏt hiện khi nghiờn cứu thành phần axit bộo màng tế bào sinh trưởng trong điều kiện pH thấp. Chủng S. mutans sinh trưởng ở pH 5 cú thành phần axit bộo bóo hoà tăng lờn và cỏc chuỗi axit bộo cũng dài hơn so với khi sinh trưởng ở pH 7. Trỏi lại cỏc loài S. mutans khụng thớch nghi tốt với stress axit thỡ ớt cú khả năng thay đổi thành phần màng tế bào. Điều này cho thấy việc tạo ra những axit bộo mạch thẳng cú 14 C hay 16 C cũng như sự giảm axit bộo cú 18 C cú liờn quan đến sự thớch nghi axit và cú ý nghĩa trong việc làm tăng khả năng chống chịu của S. mutans với cỏc chất diệt khuẩn cũng như ảnh hưởng đến sự phỏt triển của vi khuẩn này ở pH thấp [46, 69, 87, 162].
Cỏc protein trờn màng cũng gúp phần trong việc duy trỡ tớnh ổn định của màng tế bào ở pH thấp. Đột biến S. mutans AS 17 nhạy cảm axit được tạo ra qua
việc đưa vào hệ gen vi khuẩn đoạn gen cú ký hiệu Tn97 [85, 86]. Gen này mó hoỏ cho protein Ffh, cú trọng lượng phõn tử 54 kDa. Protein này tham gia vào quỏ trỡnh
vận chuyển protein sinh tổng hợp màng. Kiểu hỡnh của đột biến AS 17 này nhạy cảm với axit là do gen ffh bị thay đổi. Chủng đột biến ffh bị giảm đỏng kể khả năng sinh tổng hợp enzyme ATPase, khụng cú khả năng lờn men sorbitol và khụng thể sinh trưởng ở pH 5. Điều này chứng tỏ cỏc protein trờn màng cú vai trũ bảo vệ tế bào ở điều kiện pH thấp chống lại cỏc stress axit [85].
Ngoài cỏc cơ chế vừa nờu trờn, cho đến nay, với kỹ thuật điện di gel hai chiều đó giỳp cỏc nhà khoa học đó bước đầu tỡm hiểu về cơ sở phõn tử của sự thớch nghi axit của S. mutans thụng qua mức độ biểu hiện khỏc nhau của cỏc protein. Kết quả nghiờn cứu của Wilkin và tập thể [199] cho thấy cú 30 protein đó được biến đổi trong quỏ trỡnh thớch nghi axit của chủng S. mutans UA159. Trong đú cú 18 protein được điều hoà ở mức độ tăng lờn, bao gồm endopeptidase, phosphoglucomutase, chaperonin 60 kDa, enolase, lactate dehydrogenase, fructose bisphosphate aldolase, acetoin reductase, superoxide dismutase và cỏc protein tham gia quỏ trỡnh phõn chia tế bào. 12 protein khỏc cũn lại được quan sỏt thấy mức độ biểu hiện giảm xuống, đú là cỏc protein liờn quan tới những yếu tố tham gia kộo dài chuỗi polypeptide trong tổng hợp protein như G, Tu, Ts, protein ribosome tiểu phần nhỏ S1P, protein ribosome tiểu phần lớn L12P, hệ thống enzyme phosphoryl hoỏ đường v.v... Đồng thời, việc tăng mức độ biểu hiện của cỏc protein chaperone cũng đó được nghiờn cứu khỏ chi tiết. Vai trũ của cỏc protein này là tham gia vào quỏ trỡnh cuộn gập protein, hồi tớnh và bảo vệ cỏc protein khụng bị biến tớnh. Cỏc protein chaperone điển hỡnh cú thể kể đến như DnaK, HrcA, Lo18 [107, 124].
DnaK là một protein thuộc họ protein sốc nhiệt, cú khối lượng phõn tử khoảng 70 kDa. Hàm lượng của protein chaperone DnaK được điều hoà nhằm đỏp ứng stress axit và duy trỡ sự axit hoỏ ở S. mutans [107]. HrcA cú vai trũ thuỷ phõn cỏc
protein bất thường được tổng hợp trong cỏc điều kiện stress. Cỏc nghiờn cứu cho thấy với chủng S. mutans bị đột biến HrcA sẽ giảm khả năng sinh trưởng trong mụi trường pH thấp [107].
Stress axit cú thể làm tổn thương cấu trỳc của cỏc đại phõn tử như ADN, protein của vi khuẩn S. mutans do vậy nhiều protein cú vai trũ bảo vệ và sửa chữa cỏc đại phõn tử giỳp vi khuẩn thớch nghi và chống chịu axit. Một trong những protein quan trọng đú là Rec A, protein cần thiết cho việc sửa chữa ADN. RecA là
một protein gồm 350 axit amin, cú tớnh bảo thủ cao ở hầu hết cỏc vi khuẩn. Đõy là enzyme đa chức năng cú vai trũ trong quỏ trỡnh tỏi tổ hợp tương đồng, sửa chữa ADN và cảm ứng cỏc đỏp ứng bảo vệ với cỏc tỏc nhõn bất lợi từ mụi trường bờn ngoài. Khi nghiờn cứu chủng S. mutans đột biến thiếu hụt RecA (S. mutans UR100), Quivey và tập thể [161] đó phỏt hiện thấy tế bào của chủng này chết nhiều hơn khi bị giết bằng axit và giảm khả năng hỡnh thành khuẩn lạc trong mụi trường cú mặt sucrose so với chủng S. mutans cú RecA (S. mutans UA159). Điều này chứng tỏ vai trũ của
RecA trong hệ thống sửa chữa ADN và sự nhạy cảm hơn của S. mutans UR100 với tỏc nhõn gõy chết tế bào bằng axit này đó phản ỏnh những khiếm khuyết trong hệ thống sửa chữa ADN.
Ngoài ra, S. mutans cũn cú một số cơ chế thớch nghi axit khỏc như: thay đổi
thành phần màng tế bào làm giảm khả năng thấm proton [160]; một số vi khuẩn