Hotline 247
04 6662 6362
 
Hà Nội
0968 378 899
 
Hồ Chí Minh
01289 777 888

Màng sinh học- một hình thức nổi bật trong đời sống của vi khuẩn (Phần 1)

BioMedia

Màng sinh học (MSH) của vi khuẩn được hình thành bởi các cộng đồng vi khuẩn bao bọc trong chất nền của các hợp chất polymer ngoại bào (EPS - extracellular polymeric substances) do chúng tự sản xuất ra. Quan trọng hơn, vi khuẩn ở trong các MSH biểu hiện một bộ các “đặc tính nổi bật”, đây là sự khác biệt đáng kể so với các tế bào vi khuẩn sống tự do. Bài viết này sẽ xem xét vai trò chủ yếu của chất nền MSH trong việc thiết lập các đặc tính nổi bật của MSH, các đặc tính nổi bật của MSH như hợp tác xã hội, dự trữ nguồn tài nguyên và vai trò trong việc tăng khả năng sống sót khi tiếp xúc với kháng sinh hoặc thuốc chống vi khuẩn. Đồng thời bài viết cũng sẽ làm nổi bật giá trị của một quy luật sinh thái học trong nghiên cứu về các đặc tính nổi bật của các MSH, nơi cho phép đánh giá cao về sự thành công sinh thái học của MSH trong vai trò là các dạng môi trường sống, rộng hơn như là một lối sống của vi khuẩn.

Định nghĩa màng sinh học

Màng sinh học là một hệ thống phức hợp có mật độ tế bào cao, dao động từ 108 đến 1011 tế bào/gam khối lượng ướt và thường bao gồm nhiều loài. Nguồn gốc của sự không đồng nhất là do các tế bào trong MSH trải qua qua trình biệt hóa, do các điều kiện cục bộ và phối hợp với các chu kỳ sống bao gồm các giai đoạn biểu hiện cụ thể của các gen và protein, điển hình cho sự tăng trưởng và phát triển của các vi sinh vật trong các hệ sinh thái không đồng nhất không gian. Màng sinh học có các đặc tính nổi bật mới như các cấu trúc mới, các hoạt động, các mô hình và tính chất được tạo ra trong suốt quá trình này, như là một hệ quả của sự tự tổ chức trong các hệ thống phức hợp, xảy ra đồng thời và đưa đến sự hình thành môi trường sống có nguồn gốc sinh vật (môi trường sống hữu cơ).

Thông qua sự tương tác nội bào, cả về mặt xã hội/cộng đồng và vật chất, cùng với các đặc tính của chất nền, lối sống màng sinh học là sự khác biệt rõ ràng với các tế bào vi khuẩn sống tự do. Do đó, các cộng đồng MSH có những đặc tính nổi bật, là các đặc tính mới xuất hiện trong MSH mà không thể dự đoán được từ việc nghiên cứu các tế bào vi khuẩn sống tự do. Đây là một trong các hình thức phân bố rộng rãi và thành công nhất của sự sống trên Trái đất.

    Hình 1: Các đặc tính nổi bật của MSH và sự hình thành môi trường sống

Các tế bào vi khuẩn trong màng sinh học được coi như là các dạng môi trường sống. Chất nền gồm các hợp chất polyme ngoại bào (EPS), giúp quy định cấu trúc và sự ổn định của màng sinh học. Các chất dinh dưỡng và các phân tử khác có thể bị giữ lại bởi sự hấp thụ của các phân tử EPS và các lỗ và rãnh của chất nền. Màng được hình thành bởi các phân tử EPS kỵ nước giúp tăng khả năng sống sót của MSH trong môi trường nước. Một số đặc tính nổi bật của màng sinh học là nhờ chất nền EPS như gradient cục bộ cung cấp đa dạng môi trường sống, dự trữ tài nguyên thông qua sự hấp thụ, duy trì enzyme để có khả năng phân hủy, các tương tác xã hội và khả năng dung nạp và / hoặc đề kháng giúp sống sót khi tiếp xúc với kháng sinh.

Vai trò của màng sinh học

Màng sinh học điều khiển các chu trình Sinh - Địa - Hóa* của hầu hết các yếu tố/ thành phần trong môi trường nước, đất, trầm tích và lớp dưới bề mặt. Các ứng dụng công nghệ sinh học của MSH bao gồm lọc nước uống, giảm lượng nước thải và đất bị ô nhiễm, giảm lượng chất xúc tác sinh học trong các quá trình sản xuất hóa chất với số lượng lớn, tồn tại lâu và các nhiên liệu sinh học. Tất cả các sinh vật bậc cao, kể cả con người đều là môi trường định cư cho các vi sinh vật tạo MSH, thể hiện qua các nhiễm trùng dai dẳng ở thực vật, động vật và người; hoặc liên quan đến sự lây truyền bệnh qua các dụng cụ y tế và cấy ghép.

*Chu trình sinh địa hoá là chu trình trao đổi các chất trong tự nhiên: các chất từ môi trường ngoài vào cơ thể, qua các bậc dinh dưỡng rồi từ cơ thể sinh vật truyền trở lại môi trường. Một chu trình sinh địa hoá gồm có các phần: tổng hợp các chất, tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, phân giải và lắng đọng một phần vật chất trong đất, nước.

Chất nền màng sinh học

Chất nền là một bề mặt phân giới/ bề mặt chung hay đúng hơn là một "khoảng trung gian - interspace" giữa MSH và môi trường để phân chia các quá trình bên trong MSH và các phản ứng với bên ngoài. Chất nền được coi là một tổ chức không gian trên MSH, từ đó hình thành các gradient, sự đa dạng sinh học, phức hợp, các tương tác động học và hợp lực bao gồm sự giao tiếp giữa tế bào với tế bào và sự chuyển gen ngang.

Sự hình thành chất nền là một quá trình động học phụ thuộc vào lượng dinh dưỡng sẵn có, sự sinh tổng hợp và sự tiết của các vật chất ngoại bào, sự phân cắt mạnh, sự cạnh tranh xã hội và tiêu diệt (grazing - một dạng của lối ăn thịt, ví dụ như khi động vật nguyên sinh ăn vi khuẩn) bởi các sinh vật khác. Không ngạc nhiên khi chất nền tạo ra mang một giá trị hoạt động lớn, nhờ có cấu trúc và trung tâm hóa - lý nên chất nền mới có thể tác động đến sự hình thành và chức năng của MSH.

Phần lớn sinh khối của MSH bao gồm EPS ngậm nước và các tế bào vi khuẩn. Sự tự tổ chức của các phân tử EPS trong chất nền dựa trên các tương tác nội phân tử giữa các thành phần của EPS, góp phần xác định được các đặc tính cơ học của chất nền và hoạt động sinh lý của các sinh vật trong MSH. Các phân tử EPS gián tiếp tác động đến sự hình thành cấu trúc của MSH - đây là một quá trình động học liên tục để tạo ra một cơ quan không gian, trong đó các tế bào trong MSH là các cụm khuẩn lạc.

Thành phần chính của chất nền là nước (lên đến 97% ), trong đó các thành phần cấu trúc và chức năng của chất nền là: tính tan, các polysaccharide dạng gel, protein và eDNA, các thành phần không hòa tan gồm tinh bột, cellulose, tua, nhung mao, tiêm mao. Các lỗ và các kênh giữa các khuẩn lạc tạo ra chỗ trống trong chất nền tạo điều kiện thuận lợi cho việc hóa lỏng, giúp đưa ra khái niệm về một "hệ thông lưu thông sơ bộ/thô sơ - rudimentary circulation system" cho MSH. Trong một số trường hợp cụ thể, các thành phần cấu trúc của chất nền có thêm các chức năng khác, có lợi cho MSH. Cấu trúc không cứng của MSH, là khu vực có sự khác nhau cơ bản về độ nhớt, cho phép các tế bào di chuyển trong chất nền, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ xốp, các đặc tính cơ học và microrheology (việc nghiên cứu các tính chất lưu biến của vật chất ở quy mô nhỏ).

Một đặc tính nổi bật quan trọng của MSH có được thông qua chất nền là  khả năng chịu khô (Hình 2a), vì các vi sinh vật sống trong môi trường luôn chịu áp lực căng thẳng về nước. Thực vậy, vi khuẩn trong MSH chủ động ứng phó với khô hạn thông qua việc tạo ra các phân tử EPS, mà trong đó các polymer ngậm nước chiếm tỷ lệ cao trong chất nền EPS, bảo vệ MSH khỏi bị khô thông qua hoạt động hydrogel giữ nước. Hơn nữa, sự hình thành màng thông qua lớp EPS trên cùng, tạo ra một hàng rào chắn tránh sự bay hơi nước. Một nghiên cứu điều tra ảnh hưởng của sự khô hạn trên MSH ngậm nước cho thấy hoạt động của các enzyme ở các mẫu sấy khô đã phục hồi hoàn toàn sau khi được làm ướt trở lại. Do đó, kiểu sống màng sinh học cung cấp sự bảo vệ tốt hơn để chống lại sự khô hạn so với các tế bào vi khuẩn sống tự do vì thiếu các lợi ích của chất nền EPS.

Hình 2: Các đặc tính vật lý và hóa học của chất nền màng sinh học

A. MSH được xem như là một pháo đài bảo vệ, thông qua một số đặc tính của chất nền, cho phép một số tế bào có thể sống sót khi bị khô.

B. MSH là một hệ thống giống như bọt biển, cung cấp các bề mặt cho sự hấp thụ đa dạng các phân tử được tách ra từ môi trường. Điều này đưa đến một số lợi ích cho MSH như trao đổi dinh dưỡng, ổn định chất nền. Tương tự như vậy, các đặc tính hóa lý của chất nền, cho phép MSH duy trì và ổn định các enzyme thủy phân ngoại bào được tạo ra bởi các tế bào trong MSH, điều này biến chất nền thành một hệ thống tiêu hóa bên ngoài. Các MSH gắn vào các bề mặt không những bị mất chất dinh dưỡng trong pha nước mà còn bị thủy phân bởi các thành phần phân hủy sinh học từ chất nền khi tiếp xúc với các enzyme trong chất nền.

Dự trữ nguồn tài nguyên thông qua màng sinh học

Việc thu nhận chất dinh dưỡng là một quá trình cần thiết cho tất cả các vi sinh vật và MSH đã phát triển một chiến lược dự trữ chất dinh dưỡng có hiệu quả, vượt trội so với các tế bào vi khuẩn sống tự do. Chiến lược này dựa trên các đặc tính hấp thụ bị động của chất nền EPS giống như bọt biển, nó ảnh hưởng đến sự trao đổi chất dinh dưỡng, chất khí và các phân tử khác giữa môi trường và MSH.

MSH là một hệ thống hấp thụ phức tạp, với các cơ chế hấp thụ khác nhau và các vị trí gắn/ liên kết với tế bào chất, thành tế bào của các tế bào trong MSH và sự liên kết với chất nền của các EPS. Các vị trí gắn này bao gồm các chất trao đổi anion và cation, điều này có nghĩa là một phạm vi lớn các chất được gắn và tích lũy cho việc tiêu thụ có hiệu quả bởi các tế bào trong MSH, ngay cả khi các chất đó xuất hiện với nồng độ rất thấp. Hoạt tính hấp thụ mạnh này cho phép MSH có thể phát triển trong môi trường nghèo chất dinh dưỡng.

Các chất hấp thụ qua MSH không phải là các hợp chất cụ thể, nghĩa là không chỉ có chất dinh dưỡng mà các chất độc cũng có thể tích tụ trong MSH. Các hợp chất như erythromycin, ethylsuccinate, acetaminophen và acidic pharmaceuticals, steroidal hormones và các hợp chất 4-nonylphenol đã được tìm thấy trong MSH. Điều đáng ngạc nhiên, ngay cả các chất không phân cực như benzen, toluene và xylene cũng được tích lũy trong chất nền của EPS. Mặc dù,chất nền của EPS rất ưa nước và không liên kết rõ ràng với các vị trí gắn với đuôi kị nước. Nếu các chất hấp thụ không bị phân hủy, chúng sẽ được giải phóng vào pha nước từ chất nền nếu có gradient nồng độ đối với nước, hoặc nếu không thì chúng vẫn được giữ trong màng sinh học cho đến khi bị phân hủy.

Do đó, MSH vừa hoạt động như bồn rửa, nhưng cũng là một nguồn gây ô nhiễm. Đáng chú ý, MSH phản ứng mạnh với các chất hấp thụ. Khi các tế bào phân hủy, phân giải, các mảnh vỡ của chúng được giữ lại trong chất nền để làm "cannibalized" tương tự như chất dinh dưỡng cho các tế bào sống sót. Mặc dù, các hợp chất EPS khác tương đối khó bị phân hủy và tồn tại lâu hơn các tế bào chịu trách nhiệm tiết ra chúng, nhưng các phân tử như vậy vẫn có thể được sử dụng như là một nguồn dinh dưỡng. Do đó, tất cả hoặc gần như tất cả các thành phần của MSH đều được dự trữ trong chất nền, MSH được xem như là một cái sân tái chế các mảnh vỡ tế bào hiệu quả cao.

Các ion kim loại cần thiết như canxi, sắt và mangan cũng tích lũy trong MSH và góp phần vào sự ổn định chất nền MSH thông qua các cầu nối của các nhóm carboxyl trên các phân tử EPS. Khả năng hấp thụ ion kim loại của MSH được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ sinh học như: việc khử độc Urani trong nước ngầm. Trong bùn hoạt tính, sự tích lũy các ion kim loại như Pb2+, Cd2+ hoặc Cu2+ đã được công bố và đây chính là nguyên nhân gây ra vấn đề ô nghiễm khi bùn được sử dụng như phân bón. Ngoài các hợp chất hòa tan, các chất rắn huyền phù có thể bị giữ bởi MSH và được đưa vào trong chất nền, bao gồm cả các vật liệu phân hủy sinh học và được sử dụng như một nguồn dinh dưỡng.


Tài liệu tham khảo:

1. Hans-Curt Flemming, Wingender J., Szewzyk U., Steinberg P., Rice A. S., Kjelleberg S. (2016), "Biofilms: an emergent form of bacterial life", Nature Reviews Microbiology, 14(9), p. 563-575.

2. Parsek M. R, Greenberg E.P. (2005), "Sociomicrobiology: the connections between quorum sensing and biofilms", Trends Microbiol, 13(1), p. 27-33.

Lược dịch và tổng hợp Nguyễn Thị Hương

Biên tập Biomedia Việt Nam

 

Các bài viết cùng chủ đề

Màng sinh học- một hình thức nổi bật trong đời sống của vi khuẩn (Phần 1)

Màng sinh học (MSH) của vi khuẩn được hình thành bởi các cộng đồng vi khuẩn bao bọc trong chất nền của các hợp chất...

Chi tiết về cuộc thi ảnh đẹp phòng thí nghiệm lần 2

CHI TIẾT VỀ CUỘC THI ẢNH ĐẸP PHÒNG THÍ NGHIỆM LẦN 2 Đồng tổ chức: Triển lãm Analytica Vietnam 2017 và Biomedia Vietnam. Thời gian:...