QUORUM SENSING - Phương pháp thay thế kháng sinh 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 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.

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. harveyi và V. 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 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.

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.