Sự giao tiếp của vi khuẩn - Quorum sensing

Vi khuẩn và khoa học về vi khuẩn, cũng như những khái niệm về giao tiếp vi khuẩn (Quorum Sensing) hoặc ức chế giao tiếp của vi khuẩn (Quorum Quenching) luôn làm các bạn lúng túng và khó hiểu. Nhưng nếu bạn có thể “hiểu được phần nào” về kiến thức này, nó sẽ giúp cho nghề nghiệp thủy sản mà bạn đang làm rất nhiều.

Thật may mắn, nhà sinh học phân tử người Mỹ Bonnie Lynn Bassler (người đã nghiên cứu giao tiếp hóa học giữa các vi khuẩn được gọi là “cảm biến đại biểu”, góp phần vào ý tưởng rằng sự gián đoạn tín hiệu hóa học có thể được sử dụng như một liệu pháp chống vi trùng) đã giải thích hết sức hài hước, dễ hiểu trong buổi hội thảo TED (TED là một tổ chức truyền thông đại chúng chuyên đăng tải những nội dung hội thảo giữa người với người, cho phép xem trực tuyến miễn phí, với khẩu hiệu "ideas worth spreading". TED được thành lập vào tháng 2 năm 1984 dưới dạng một buổi hội thảo, và bắt đầu được tổ chức hàng năm từ năm 1990).

Bạn có thể xem chi tiết video này tại đây với phụ đề tiếng Việt, hoặc xem bài ghi lại dưới đây nội dung mà “nhà khoa học Quorum Sensing” tốt nghiệp Đại học Johns Hopkins, Đại học California trình bày trong buổi hội thảo tuyệt vời đó.

Vi khuẩn là những sinh vật lâu đời nhất trên trái đất. Chúng đã tồn tại cách đây hàng tỉ năm và là những sinh vật đơn bào cực kỳ nhỏ bé. 

Vi khuẩn chỉ có một tế bào và có một điểm đặc biệt là chỉ có một đoạn DNA. Chúng có rất ít gen và những thông tin di truyền mã hóa các đặc điểm của chúng. 

Vi khuẩn tồn tại bằng cách sử dụng chất dinh dưỡng từ môi trường và khi cơ thể phát triển gấp đôi, vi khuẩn tự phân đôi ở giữa tế bào để trở thành hai tế bào vi khuẩn, quá trình này cứ thế tiếp diễn. Chúng lớn lên rồi phân đôi, lớn lên rồi phân đôi, đó là một cuộc sống khá buồn tẻ. 

Nhưng bạn sẽ ngạc nhiên vì khả năng tương tác đáng kinh ngạc của các sinh vật nhỏ bé này với chính bạn. 

Tôi biết các bạn đều nhìn nhận bản thân như một con người, và đó cũng là cách tôi nhìn nhận các bạn. 

Mỗi cơ thể con người có khoảng một nghìn tỉ tế bào giúp mỗi chúng ta không ai giống ai và có thể làm những việc mà chúng ta đang làm, nhưng mỗi người lại có 10 nghìn tỉ tế bào vi khuẩn tồn tại cả bên trong và bên ngoài cơ thể, vậy số tế bào vi khuẩn gấp 10 lần số tế bào con người.

Con người bạn có khoảng 30.000 gen nhưng số gen của vi khuẩn quanh bạn còn nhiều gấp 100 lần và có ảnh hưởng đến cả bên trong lẫn bên ngoài cơ thể trong suốt cuộc đời bạn. Như vậy, bạn có khoảng 10 phần trăm con người nhưng cũng có thể chỉ khoảng hơn 1% tùy vào hệ đo lường mà bạn thích sử dụng. Tôi biết là các bạn nghĩ mình là những cơ thể người, nhưng tôi lại coi bạn 90 hay 99% là vi khuẩn. 

Những vi khuẩn đó không hề thụ động. Chúng cực kỳ quan trọng, duy trì sự sống của con người. Chúng phủ lên cơ thể con người một bộ áo giáp vô hình, ngăn chặn sự tấn công của môi trường giúp con người khỏe mạnh. Chúng tiêu hóa thức ăn, tạo vitamin. Chúng thực sự điều khiển hệ thống miễn dịch ngăn chặn các vi khuẩn có hại. Vì vậy chúng làm những công việc đáng nể giúp con người và cực kỳ quan trọng cho sự sống và chúng không bao giờ chịu áp lực từ việc đó. 

Nhưng vi khuẩn cũng làm nhiều việc tồi tệ nữa. Nhiều loại vi khuẩn trên trái đất không nên ở trên cơ thể con người, nếu chúng thâm nhập vào cơ thể, bạn sẽ mắc một số bệnh. 

Và do vậy, câu hỏi đặt ra là liệu bạn muốn xem xét tất cả mặt tốt của vi khuẩn, hay mặt xấu của chúng? Câu hỏi ở đây là vi khuẩn có thể làm những việc đó ra sao. Ý tôi là chúng thực sự rất nhỏ bé để nhìn thấy nó thì cần một chiếc kính hiển vi. Chúng có một cuộc sống nhàm chán - chỉ việc lớn lên và phân đôi. Mọi người coi chúng như những sinh vật sống ẩn dật và đối với con người, dường như chúng quá nhỏ bé để gây tác động đến môi trường nếu chúng đơn giản hoạt động tách rời theo từng cá thể và do vậy chúng ta đã muốn nghĩ rằng liệu vi khuẩn chỉ có một cách sống mà thôi? 

Manh mối cho câu hỏi này đến từ 1 loại vi khuẩn biển khác có tên là Vibrio fischeri. Vi khuẩn này có một điểm đặc biệt, nó có thể tạo ra ánh sáng, tạo ra phát quang sinh học giống như đom đóm phát sáng.

Hình vi khuẩn Vibrio fischer phát sáng

Nhưng điều mà chúng tôi thực sự thích thú không phải là loại vi khuẩn đó phát quang mà là thời điểm chúng phát quang. Chúng tôi nhận thấy khi vi khuẩn này ở một mình chúng không phát sáng nhưng khi chúng phát triển tới 1 lượng tế bào nhất định thì tất cả các vi khuẩn đồng thời phát sáng. 

Câu hỏi đặt ra là làm thế nào mà vi khuẩn, những sinh vật nguyên thủy có thể phân biệt những khoảng thời gian chúng ở một mình với thời gian khi sống trong cộng đồng và sau đó phát sáng cùng nhau? Chúng tôi phát hiện ra rằng chúng làm điều đó theo cách “nói chuyện với nhau, bằng ngôn ngữ hóa học”. 

Lý do Vibro fischeri làm như thế đến từ sinh học. Một thông tin nữa về sinh vật ở đại dương: Vibro fischeri sống trong con mực ống đuôi cộc Hawaii. Con mực phát quang vì lý do con mực sẵn sàng chấp thuận những trò chơi xấu đó và vì chúng muốn ánh sáng đó. 

Mực hoạt động về đêm vì thế suốt cả ngày nó giấu mình trong cát và ngủ nhưng khi màn đêm buông xuống, chúng ra ngoài đi săn. Vào những đêm sáng trời có nhiều ánh sao và ánh trăng, ánh sáng đó có thể xuyên qua lớp nước con mực trốn, vì nước chỉ ở sâu có vài feet. Con mực phát triển một lá chắn sáng có thể mở và đóng cơ quan chuyên về ánh sáng nơi mà vi khuẩn sống.

Nó có các bộ phận dò trên lưng vì thế có thể cảm nhận được lượng ánh sáng của mặt trăng và sao chiếu vào lưng. Và nó mở, đóng lá chắn sáng, lượng ánh sáng ra “khỏi túi ánh sáng” được vi khuẩn thực hiện phù hợp chính xác với lượng ánh sáng chiếu vào lưng con mực vì thế con mực không tạo ra bóng. Nó sử dụng ánh sáng từ vi khuẩn để phản sáng lại chính nó bằng một “thiết bị chống săn mồi”, vì thế những kẻ săn mồi không thể nhìn thấy bóng của con mực để tính toán “đường đạn” và ăn thịt nó. Con mực giống như máy bay tàng hình của đại dương. 

Nhưng sau đó suy nghĩ lại, chúng tôi thấy rằng con mực có một vấn đề khủng khiếp vì chúng mang trên mình lớp vi khuẩn dày đang chết dần và chúng không thể duy trì điều đó. Và rồi những gì xảy ra là mỗi sáng khi mặt trời lên con mực ngủ, chôn mình trong cát với một cái "bơm" gắn liền với nhịp sinh học, lúc đó khoảng 95% vi khuẩn bị “bơm” ra ngoài. Giờ đây vi khuẩn khuếch tán, vì vậy chúng không phát quang nữa, nhưng dĩ nhiên con mực giờ đây không quan tâm. Nó ngủ trong cát. Và khi ngày tàn, vi khuẩn lại nhân đôi chúng giải phóng những phân tử, và rồi ánh sáng lại phát ra vào ban đêm, chính xác khi con mực cần nó. 

Giờ đây chúng ta hiểu rằng tất cả vi khuẩn đều có thể “nói chuyện” với nhau. Chúng tạo ra ngôn từ hoá học, chúng phân biệt được những từ ngữ đó, và chúng trỗi dậy bản năng nhóm, điều mà chỉ thành công khi tất cả các tế bào tham gia. Chúng tôi có một cái tên thú vị cho quá trình này, chúng tôi gọi đó là "cảm nhận số đại biểu tối thiểu". Chúng bỏ phiếu với những lá phiếu hoá học, những lá phiếu này được đếm, và sau đó mọi người hưởng ứng việc bầu cử này. 

Điều quan trọng của “cuộc nói chuyện này” là chúng ta biết có hàng trăm cách mà vi khuẩn tiến hành theo kiểu này. Nhưng cách quan trọng nhất với bạn chính là tính độc hại. Vài vi khuẩn xâm nhập vào bạn và chúng bắt đầu tiết ra một vài chất độc, nhưng vì bạn rất “to lớn” nên nó chẳng ảnh hưởng gì tới bạn.

Việc mà chúng làm, giờ chúng ta đã hiểu, là chúng xâm nhập vào cơ thể bạn, rồi chúng đợi, bắt đầu phát triển, chúng tự đếm số lượng cộng đồng chúng bằng những phân tử hóa học nhỏ, và chúng biết khi nào chúng có đủ số lượng và nếu tất cả những vi khuẩn này hợp lực dùng tính độc hại của chúng để tấn công, chúng sẽ thành công trong việc đánh bại vật chủ. Vi khuẩn luôn điều khiển việc gây bệnh bằng "cảm nhận số đại biểu tối thiểu". Đó là cách thức mà quá trình xảy ra. 

Mỗi loài vi khuẩn có cách bàn bạc khác nhau bằng “ngôn ngữ hóa học”. Mỗi phân tử hóa học ăn khớp vào phần tiếp nhận của đồng loại chứ không phải loài khác. Nên những cuộc nói chuyện này là bí mật và riêng tư. Những cuộc nói chuyện này là sự truyền đạt thông tin nội bộ trong cùng loài. Mỗi vi khuẩn sử dụng một phân tử đặc biệt, đó là ngôn ngữ của nó, cho phép nó đếm anh chị em của mình. 

Khi mà chúng tôi phát hiện ra đến đó chúng tôi nghĩ chúng tôi bắt đầu hiểu rằng các phân tử cũng có thể có những hành động xã giao. Chẳng hạn trên một mẫu da siêu nhỏ của bạn có đủ các loại vi khuẩn. Thế nên chúng tôi bắt đầu nghĩ là nếu vi khuẩn có khả năng giao tiếp, bằng việc “đếm những vi khuẩn xung quanh”, thì khả năng nói chuyện trong cùng loài thôi là chưa đủ. Phải có một cách đếm số lượng toàn thể những vi khuẩn còn lại. 

Nên chúng tôi trở lại với sinh học phân tử, và bắt đầu nghiên cứu các vi khuẩn khác nhau. Điều mà chúng tôi phát hiện ra là các phân tử “nói được nhiều thứ tiếng”. Chúng đều có một hệ thống riêng cho loài của chúng đó là một phân tử nói là "tôi." Nhưng song song với việc đó là hệ thống thứ hai mà chúng tôi phát hiện ra, đó là tính giống loài. 

Vậy là, chúng có enzyme thứ hai tạo ra dấu hiệu thứ hai và nó có phần tiếp nhận của riêng mình, phân tử này là ngôn ngữ trao đổi của vi khuẩn. Nó được sử dụng bởi tất cả các vi khuẩn khác nhau và đó là ngôn ngữ giao tiếp chung của tất cả các loài. Vi khuẩn có khả năng đếm có bao nhiêu “tôi” và bao nhiêu “bạn”. Chúng tiếp nhận thông tin đó vào trong mình, và quyết định nhiệm vụ tương ứng để thực hiện, phụ thuộc vào ai thuộc thiểu số và ai thuộc đa số của mỗi mảng dân cư. 

Tôi đã kể với bạn rằng vi khuẩn có tất cả những cử chỉ xã giao, chúng giao tiếp bằng những phân tử này. Chúng tôi đã nghĩ là, nếu như chúng tôi tạo ra những vi khuẩn để chúng không thể nói chuyện hoặc không thể nghe thấy nhau, thì đây có thể là những loại kháng sinh mới? 

Tất nhiên, bạn đã nghe và bạn cũng đã biết rằng chúng ta đang thiếu dần kháng sinh. Vi khuẩn bây giờ có khả năng đề kháng rất nhiều loài thuốc, đó là vì tất cả các loại kháng sinh chúng ta sử dụng giết chết vi khuẩn. Hoặc là chúng làm “nổ màng” vi khuẩn, hoặc là chúng làm cho vi khuẩn không thể tự nhân DNA. Chúng ta diệt vi khuẩn bằng những thuốc kháng sinh truyền thống, điều đó chọn ra những kháng thể. 

Chúng tôi có 2 phương thức thực hiện “kháng sinh mới”. Đầu tiên là chúng tôi tiếp cận hệ thống giao tiếp cùng loài, nên chúng tôi tạo ra những phân tử trông giống như những phân tử thực sự. Và do đó, chúng khớp vào những phần tiếp nhận đó và chúng làm tắc sự nhận dạng phân tử thực sự. 

Chúng tôi cũng làm việc tương tự với hệ thống phân tử khác. Chúng tôi lấy phân tử chung đó và thay đổi một chút để tạo ra những phản kháng hệ thống giao tiếp cùng loài. Hi vọng là những việc này được ứng dụng trong thuốc kháng sinh diện rộng để chống lại tất cả các vi khuẩn. 

Vi khuẩn đã sinh sống trên trái đất từ hàng tỉ năm. Con người thì “chỉ mới hàng trăm ngàn năm”. Chúng tôi nghĩ rằng vi khuẩn “tạo ra những qui tắc” về cách thức mà các tổ chức đa bào (động vật, chẳng hạn như con người) làm việc…

Ghi lại theo https://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_how_bacteria_talk