QUORUM SENSING - Phương pháp thay thế kháng sinh trong tương lai

Quorum sensing (QS) là quá trình giao tiếp của các tế bào vi khuẩn bằng cách truyền các phân tử, gen mã hóa cho nhau.

Nguyên liệu nuôi trồng
Những nguyên liệu thay thế kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản trong tương lai

Khi vi khuẩn tiếp nhận các giao tiếp này sẽ sinh trưởng tạo quần thể, tạo màng sinh học (biofilm), thực hiện trao đổi chất, gây độc tính và đáp ứng các điều kiện sống căng thẳng (stress). QS phụ thuộc vào số lượng phân tử tín hiệu của mật độ vi khuẩn. Khi phân tử tín hiệu đạt đến ngưỡng nhất định, tế bào vi khuẩn bắt đầu hoạt động như một quần thể.

Các tín hiệu QS là các phân tử hóa học nhỏ hoặc các peptit, gọi là chất tự cảm ứng (autoinducers). Vi khuẩn có 03 tín hiệu QS chính:

(1). Chất tự cảm ứng – 1 (autoinducers-1, AI-1) hoặc acyl-homoserine lactones (AHLs), sử dụng trong nhóm vi khuẩn Gram âm.

(2). Chất tự cảm ứng – 2 (autoinducer-2, AI-2), sử dụng trong nhóm vi khuẩn Gram âm và Gram dương.

(3). Peptit AIP ( Auto-inducing peptides, AIP) như nisin, là một peptit kháng khuẩn.

Một số tín hiệu QS AHL có thể truyền cho các chủng vi khuẩn khác loài.

Quorum sensing của nhóm vi khuẩn Gram âm (-)

Giao tiếp QS trong nhóm vi khuẩn Gram âm được điều khiển bởi phần tử N-acyl homoserine lactones (AHLs). AHLs được tổng hợp bởi Luxl synthase (là chất được liên kết giữa chất mang acyl – ACP và S-adenosylmethionine). Khi số lượng AHLs cao, các chất tự cảm ứng liên kết với các thụ thể (receptors) LuxR trong trong tế bào chất, sau đó thực hiện quá trình phiên mã các gen tín hiệu QS.

Quorum sensing
Quorum sensing ở vi khuẩn gram âm và ứng dụng khóa QS nhờ vào vi khuẩn Bacillus sp. (H1)

AHLs có công thức hóa học dạng vòng (H1), ưa nước, do đó, AHLs thẩm thấu dễ dàng qua màng tế bào. Độ dài của AHLs thay đổi theo vị trí gắn β và mức độ bão hòa. Sự khuếch tán AHLs phụ thuộc vào chiều dài chuỗi acyl và độ bão hòa. Chuỗi acyl càng ngắn, ít bão hòa hơn và xuyên qua màng dễ hơn. Chuỗi phân tử càng dài cần có cơ chế vận chuyển.

V. harveyi
Truyền tín hiệu QS của V. harveyi (H2)

- 3 phân tử tính hiệu HAI-1, AI-2 và CAI-1 lần lượt được tổng hợp bởi enzyme LuxM, LuxS và Cqs A. Khi mật độ tế bào cao, các chất tự cảm ứng này được các thụ thể LuxN, LuxPQ và CqsS phát hiện. Sau đó diễn ra quá trình khử Phospho (P) để vô hiệu hóa LuXO, cho phép tổng hợp LuxR và phiên mã các gen để gây phát sáng, tạo màng sinh học và sản sinh độc tố.

Vibrio thường giao tiếp QS qua phân tử AHLs. Vibrio harveyi, tác nhân gây bệnh phát sáng trên giai đoạn tôm giống và thương phẩm. Hệ thống QS của V. harveyi (H2) điều khiển một số yếu tố độc lực trong loài vi khuẩn này, như quá trình phát sáng sinh học, khả năng sinh metalloprotease, siderophore và exopolysaccharide. 

V. parahaemolyticus, V. harveyiV. campbellii là các tác nhân gây bệnh hoại tử gan tụy cấp (AHPND). Ba chủng vi khuẩn này đều chứa gen pirABvp – một loại gen độc gây AHPND ở tôm. Điều đó cũng chỉ ra, gen sinh độc tố gây AHPND có thể lan truyền theo chiều ngang giữa các loài vi khuẩn (từ V. parahaemolyticus sang V. harveyi, V. campbellii) thông qua cơ chế QS của các loài vi khuẩn gây bệnh.

Hệ thống Quorum cũng được tìm thấy ở E. ictaluri, tác nhân gây bệnh nhiễm khuẩn cá da trơn nói chung và bệnh gan thận mủ trên cá tra nuôi ở Việt Nam.

Quorum sensing
Quorum sensing của một số vi khuẩn nhóm Gram (-) và Gram (+)

Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu những cách tiếp cận trong việc bẻ gãy phân tử tín hiệu AHL như là biện pháp hữu hiệu để kiểm soát độc lực ở nhóm vi khuẩn Gram âm gây bệnh, đặc biệt là nhóm vi khuẩn gây bệnh trong thủy sản. Trong đó, quá trình phân hủy sinh học đối với phân tử tín hiệu AHL được xem là cách tiếp cận được ứng dụng phổ biến nhất. Quá trình này có thể được thực hiện bằng phương pháp phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng sinh enzyme phân hủy quorum sensing. 

Quorum sensing của nhóm vi khuẩn Gram dương (+)

Chất tự cảm ứng QS của vi khuẩn Gram dương dựa trên các peptit pheromone, được tổng hợp trong tế bào và đi ra môi trường bên ngoài nhờ chất vận chuyển ATP.

Trong nhóm vi khuẩn Gram dương, các phân tử tín hiệu được cảm nhận bằng hệ thống 2 thành phần hoặc chất tự cảm ứng của một thụ thể nội bào, quá trình này đòi hỏi chất tự cảm ứng được vận chuyển vào trong tế bào bằng liên kế ATP. Đối với hệ thống 2 thành phần, chất tự cảm ứng liên với histidine (cùng gốc cảm biến kinase) ở trong màng tế bào. Sự gắn kết của chất cảm ứng kích hoạt phát tín hiệu từ sensor kinase qua quá trình trình tự hóa phospho hoặc khử phospho. Phospho được vận chuyển đến bộ điều chỉnh đáp ứng để thực hiện các quá trình như tác động đến gen đích.

Hệ thống 2 thành phần rất quan trọng trong quá trình cảm nhận và đáp ứng đến các tính hiệu từ bên ngoài, làm thay đổi tính hướng động, trao đổi gen và biểu hiện gen tương ứng.

Tiềm năng sử dụng chất ức chế Quorum sensing trong nuôi trồng thủy sản

Tác nhân gây các bệnh nguy hiểm cho tôm, cá thường thuộc nhóm vi khuẩn Gram (-). Khi hiểu được cơ chế truyền tín hiệu Quorum sensing của vi khuẩn, các nhà khoa học đã nghiên cứu về ứng dụng làm gián đoạn QS để hạn chế khả năng gây bệnh của vi khuẩn. Khi vi khuẩn không có khả năng giao tiếp QS thì không đủ số lượng phân tử, mật độ để gây bệnh.

Cơ chế làm gián đoạn truyền tín hiệu QS xảy ra qua nhiều phương thức:

- Ngăn cản quá trình tổng hợp phân tử truyền tín hiệu.

- Bất hoạt hoặc sử dụng enzyme phân giải phân tử tín hiệu, cản trở các phân tử tích lũy đến ngưỡng cực đại.

- Gián đoạn liên kết của các thụ thể nhận tín hiệu trong tế bào hoặc cạnh tranh với các phân tử tín hiệu.

- Khóa gen đích được sử dụng mã hóa từ tín hiệu QS.

Các enzyme và phức hợp enzyme (được liệt kê ở bảng dưới) có thể làm suy giảm AHL, ngăn chặn vi khuẩn gây bệnh tạo ra yếu tố độc lực và hình thành màng sinh học, từ đó làm giảm độc lực của chúng.

Loại EnzymeCơ chế phân giải AHLs
AHL lactonases

Thủy phân vòng AHL thành N-acyl homoserine tương ứng. Quá trình này xảy ra tự nhiên khi môi trường pH kiềm (>4), và đảo ngược khi môi trường pH có tính axit(<4).

AHL acylasesPhân giải liên kết amide của AHL, tạo ra axit béo tự do tương ứng và một vòng lactone
AHL oxidoreductasesOxy hóa và thủy phân phân tử Quorum sensing 

Vi khuẩn đầu tiên có khả năng làm suy giảm tín hiệu QS ngoại lai được phân lập từ đất, được xác định thuộc chi Bacillus. Bào tử vi khuẩn Bacillus đã được đánh giá về khả năng đối kháng cao với nhiều loại vi sinh vật. Các chủng vi khuẩn này thường được sử dụng như là vi sinh kiểm soát sinh học và thúc đẩy tăng trưởng.

Khả năng kiểm soát sinh trưởng của Bacillus lên các vi khuẩn khác nhờ vào cơ chế sản sinh các phân tử kháng sinh vi khuẩn và nấm, và khả năng cản trở giao tiếp QS bên trong màng sinh học (Biofilm) và các tế nào nấm.

Enzyme AHL lactonase là một trong hai loại enzyme có khả năng phân hủy AHL của vi khuẩn Gram (-). Enzyme này được mã hóa bởi gen aiiA hiện diện ở nhiều loài Bacillus. Một số nghiên cứu đã cho thấy gen aiiA từ Bacillus subtilis BS-2 có khả năng kiểm soát cao Escherichia coli BL21; AHL- lactonase gen aiiA được phiên mã bởi promoter Plpp của E.coli và được tái tổ hợp vào chủng Lysobacter enzymogenes OH11, tạo thành OH11A. Kết quả của nghiên cứu này mở ra một hướng tiếp cận trong việc phát triển các dòng vi khuẩn tái tổ hợp đa chức năng, có khả năng kiểm soát đồng thời bệnh do nấm và bệnh do vi khuẩn gây ra.

Đối với bệnh thủy sản, đã có nhiều nghiên cứu về khả năng khóa/ làm nhiễu giao tiếp QS để ngăn ngừa và phòng trị dịch bệnh trong quá trình nuôi. Một số nghiên cứu đã chứng minh khả năng làm nhiễu QS của V. harveyi, V. cholerae, V. fischeri, V. anguillarum, Aeromonas hydrophila

Việc sử dụng các sản phẩm vi sinh, sản phẩm “phi kháng sinh” có khả năng kiểm soát Vibrio qua cơ chế QS, cạnh tranh môi trường sống, thức ăn,… là giải pháp an toàn và đáp ứng xu hướng nuôi thủy sản bền vững.

Đăng ngày 07/11/2023
Elanco Việt Nam

Thuốc gây mê hóa học và thuốc gây mê tự nhiên cho cá

Khi nhu cầu gây mê trong ngành thủy sản ngày càng cao thì thuốc mê cho cá, tôm ngày càng đa dạng, đa dạng từ nguồn gốc xuất xứ đến thương hiệu sản phẩm, từ đối tượng sử dụng đến hiệu quả thực tế, từ thành phần hóa học đến thành phần tự nhiên.

Thuốc gây mê cho cá tôm
• 11:20 15/07/2024

Siêu sale cuối tháng - Xả láng săn deal

Quyết tâm định vị được ngày sale lớn trùng với ngày thành lập sàn Farmext eShop 22.09, nên cứ đến ngày 22 hàng tháng, tại eShop sẽ có một lần siêu khuyến mãi kéo dài trong vòng 1 tuần hoặc dài hơn.

Siêu sale
• 08:00 22/06/2024

Khoáng ăn E – min sự kết hợp hoàn hảo của khoáng, Amino Acid & Enzim

Khoáng chất là thành phần có trong tất cả các mô của cơ thể, đóng vai trò cần thiết đối với đời sống thủy sản nói chung và tôm nói riêng. Hiểu được tầm quan trọng của khoáng trong ao nuôi tôm, Công ty Khoáng K3 đã chính thức ra mắt dòng sản phẩm khoáng ăn cao cấp E – min được thiết kế đặc biệt để tăng cường đề kháng và sức khỏe cho tôm trong quá trình nuôi trồng thủy sản.

Vỏ tôm
• 09:00 20/06/2024

Hiện thực hóa giấc mơ nuôi tôm bằng công nghệ

"Mong muốn của Tép Bạc là ứng dụng công nghệ thông tin vào việc nuôi tôm để giúp người nông dân giảm thiểu thiệt hại, đồng thời tăng năng suất so với cách thức truyền thống", nhà sáng lập Trần Duy Phong cho biết.

Máy cho tôm ăn F7
• 11:13 13/06/2024

Bình Định: Sản lượng thủy sản tháng 6 năm 2024 tăng 2,9% (847,4 tấn) so cùng kỳ năm 2023

Tỉnh Bình Đinh tiếp tục tăng cường nuôi trồng, khai thác thủy sản gắn với các biện pháp bảo vệ, phát triển nguồn lợi thủy sản; nhân rộng các mô hình nuôi tôm công nghệ cao tại một số địa phương ven biển.

Tàu thuyền thủy sản
• 00:05 18/07/2024

“Bấp bênh” khi quay trở lại với con tôm sú

Dựa vào tình hình hiện tại, giá tôm thẻ chân trắng đang lao dốc mạnh. Do đó, nhiều hộ nuôi tôm đang bắt đầu quay lại với mô hình nuôi tôm sú. Tuy nhiên, từ con tôm thẻ, khó khăn lại khi chuyển đổi sang con tôm sú.

Tôm sú
• 00:05 18/07/2024

Cho ăn bằng máy cần lưu ý các vấn đề nào?

Công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành nuôi trồng thủy sản. Việc sử dụng máy cho ăn tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng để đạt được hiệu quả tối ưu người nuôi cần lưu ý một số vấn đề quan trọng khi sử dụng máy cho ăn tự động qua bài viết dưới đây cùng Tép Bạc nhé!

Máy cho tôm ăn tự động
• 00:05 18/07/2024

Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt chi phí sản xuất về thủy sản giữa các nước

Ngành thủy sản đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, không chỉ là nguồn cung cấp thực phẩm quan trọng mà còn góp phần tạo công ăn việc làm và thúc đẩy thương mại quốc tế. Tuy nhiên, chi phí sản xuất thủy sản lại có sự khác biệt đáng kể giữa các quốc gia.

Thủy hải sản
• 00:05 18/07/2024

Quan sát và đánh giá sức khỏe tôm qua phân tôm

Trong nuôi tôm, việc theo dõi sức khỏe của tôm là vô cùng quan trọng để đảm bảo năng suất và chất lượng. Một trong những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để đánh giá sức khỏe của tôm là quan sát phân tôm. Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cách nhận biết và phân tích các dấu hiệu từ phân tôm để có thể đưa ra các biện pháp kịp thời, giúp duy trì sức khỏe tốt nhất cho đàn tôm.

Tôm thẻ chân trắng
• 00:05 18/07/2024
Some text some message..