Thể thực khuẩn (Bacteriophage)

Cấu trúc

Phage có cấu trúc đa dạng, nhưng hầu hết đều có chung một số đặc điểm cơ bản, thường được mô tả như một cấu trúc “nòng nọc” bao gồm phần đầu và phần đuôi.

Phần đầu: Chứa vật liệu di truyền của phage, có thể là DNA hoặc RNA, được bao bọc trong một lớp vỏ protein gọi là capsid. Capsid có thể có hình dạng đa diện (ví dụ, hình khối hai mươi mặt) hoặc hình trụ.

Phần đuôi: Kết nối phần đầu với các sợi đuôi. Đuôi có thể dài và co rút lại hoặc ngắn và không co rút. Một số phage có đuôi phức tạp hơn với các cấu trúc như phần cổ, vỏ đuôi và tấm nền.

Sợi đuôi: Là các cấu trúc giống như sợi tơ ở cuối đuôi, giúp phage bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện thụ thể đặc hiệu trên bề mặt vi khuẩn.

Phiến đáy (Baseplate): Nằm ở cuối đuôi, đóng vai trò quan trọng trong việc gắn kết và xâm nhập vào tế bào vi khuẩn. Phiến đáy có thể có các gai hoặc enzyme giúp phage bám chặt và phá vỡ thành tế bào vi khuẩn.

Gai đuôi: Các phần nhô ra từ phiến đáy giúp phage xuyên qua thành tế bào vi khuẩn và đưa vật liệu di truyền vào bên trong tế bào chủ. Một số phage còn có enzyme lysozyme ở đuôi để phân giải thành tế bào vi khuẩn.

Vòng đời

Phage nhân lên theo hai vòng đời chính:

Vòng đời tan (Lytic cycle): Trong vòng đời tan, phage xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, sử dụng bộ phận sinh tổng hợp của tế bào chủ để sao chép vật liệu di truyền và tổng hợp các protein của phage. Sau đó, các thành phần này được lắp ráp thành các hạt phage mới. Cuối cùng, phage tạo ra enzyme lysozyme làm tan vỡ tế bào vi khuẩn, giải phóng các hạt phage mới ra ngoài để lây nhiễm các tế bào vi khuẩn khác. Quá trình này có thể tóm tắt như sau:

• Hấp phụ (Adsorption): Phage bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn thông qua các thụ thể đặc hiệu.
• Xâm nhập (Penetration): Phage tiêm vật liệu di truyền của nó vào tế bào vi khuẩn. Ở một số phage, toàn bộ capsid cũng được đưa vào tế bào.
• Sinh tổng hợp (Biosynthesis): Bộ máy di truyền của tế bào vi khuẩn bị phage kiểm soát và buộc phải sản xuất các thành phần của phage (DNA/RNA, protein).
• Lắp ráp (Maturation): Các thành phần phage mới được lắp ráp thành các hạt phage hoàn chỉnh.
• Giải phóng (Lysis): Tế bào vi khuẩn bị tan vỡ do enzyme lysozyme do phage sản xuất, giải phóng các hạt phage mới.

Vòng đời tiềm tan (Lysogenic cycle): Trong vòng đời tiềm tan, phage tích hợp vật liệu di truyền của nó vào bộ gen của vi khuẩn, trở thành một prophage. Prophage nhân lên cùng với vi khuẩn mà không gây hại. DNA của phage được sao chép cùng với DNA của vi khuẩn mỗi khi vi khuẩn phân chia. Dưới những điều kiện nhất định, chẳng hạn như stress môi trường hoặc tiếp xúc với tia UV, prophage có thể chuyển sang vòng đời tan.

Phân loại

Phage được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm hình thái, loại vật liệu di truyền (DNA hoặc RNA, mạch đơn hoặc mạch đôi), kích thước capsid, cấu trúc đuôi, và vi khuẩn chủ mà chúng lây nhiễm.

Ứng dụng

Phage có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm:

• Liệu pháp phage: Sử dụng phage để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn, đặc biệt là các bệnh nhiễm trùng kháng kháng sinh. Liệu pháp phage đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho kháng sinh truyền thống.
• Kiểm soát sinh học: Sử dụng phage để kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh trong thực phẩm và nông nghiệp. Ví dụ, phage có thể được sử dụng để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh trên rau quả hoặc trong chăn nuôi.
• Nghiên cứu di truyền: Phage được sử dụng như một công cụ trong nghiên cứu di truyền và sinh học phân tử. Chúng đã đóng góp rất nhiều vào sự hiểu biết về quá trình sao chép DNA, biểu hiện gen và điều hòa gen.
• Công nghệ sinh học: Phage được sử dụng trong kỹ thuật di truyền, sản xuất vaccine và các ứng dụng công nghệ sinh học khác.

Thể thực khuẩn là một nhóm virus đa dạng và phong phú với vai trò quan trọng trong hệ sinh thái. Việc nghiên cứu phage tiếp tục mang đến những hiểu biết mới về sự tương tác giữa virus và vi khuẩn, cũng như mở ra những hướng đi mới trong việc điều trị bệnh nhiễm trùng và kiểm soát vi sinh vật.

Tương tác Phage-Vi khuẩn

Sự tương tác giữa phage và vi khuẩn là một cuộc chạy đua vũ trang tiến hóa liên tục. Vi khuẩn đã phát triển nhiều cơ chế để chống lại sự lây nhiễm của phage, bao gồm:

• Hệ thống CRISPR-Cas: Một hệ thống miễn dịch thích nghi cho phép vi khuẩn ghi nhớ và chống lại các phage đã gặp trước đó. Hệ thống này hoạt động bằng cách tích hợp các đoạn DNA ngắn của phage vào bộ gen của vi khuẩn (trong vùng CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), sau đó sử dụng các đoạn DNA này để hướng dẫn các enzyme Cas (CRISPR-associated proteins) cắt và phá hủy DNA của phage xâm nhập.
• Enzyme giới hạn (Restriction enzymes): Các enzyme này nhận diện và cắt các trình tự DNA cụ thể của phage, ngăn chặn phage sao chép. Vi khuẩn bảo vệ DNA của mình khỏi bị cắt bằng cách methyl hóa các trình tự này.
• Biến đổi bề mặt tế bào: Vi khuẩn có thể thay đổi các thụ thể trên bề mặt tế bào để phage không thể bám vào.

Đáp lại, phage cũng đã phát triển các chiến lược để vượt qua các cơ chế phòng thủ của vi khuẩn, ví dụ như biến đổi các trình tự DNA để tránh bị enzyme giới hạn nhận diện, hoặc sản xuất các protein ức chế hệ thống CRISPR-Cas.

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái

Phage đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quần thể vi khuẩn trong nhiều hệ sinh thái, từ đất và nước đến ruột người. Chúng ảnh hưởng đến sự đa dạng vi sinh vật, chu trình dinh dưỡng và thậm chí cả khí hậu toàn cầu. Ví dụ, phage có thể kiểm soát sự nở hoa của tảo độc hại bằng cách lây nhiễm và tiêu diệt các loài tảo cụ thể. Chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển gen ngang giữa các vi khuẩn.

Các phương pháp nghiên cứu Phage

Một số phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu phage bao gồm:

• Nuôi cấy phage: Phage được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng vi khuẩn chủ làm môi trường nuôi cấy trên môi trường thạch hoặc môi trường lỏng.
• Định lượng phage: Các kỹ thuật như plaque assay được sử dụng để xác định số lượng phage trong một mẫu. Plaque assay dựa trên việc phage lây nhiễm và tiêu diệt vi khuẩn trên đĩa thạch, tạo thành các vùng trống gọi là plaque. Mỗi plaque đại diện cho một phage ban đầu.
• Phân tích bộ gen: Việc giải trình tự bộ gen của phage cung cấp thông tin về cấu trúc, chức năng và tiến hóa của chúng.
• Kính hiển vi điện tử: Cho phép quan sát cấu trúc chi tiết của phage. Các kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến hơn như cryo-electron microscopy cung cấp hình ảnh với độ phân giải cao hơn.

Triển vọng

Nghiên cứu về phage đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng tiềm năng mới đang được khám phá. Liệu pháp phage đang được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn cho cuộc khủng hoảng kháng kháng sinh, trong khi các ứng dụng khác trong nông nghiệp, công nghệ sinh học và khoa học vật liệu cũng đang được nghiên cứu. Việc tìm kiếm và phân lập các phage mới, cũng như việc nghiên cứu sâu hơn về tương tác phage-vi khuẩn, sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng phage trong tương lai.

• Clokie, M. R. J., Millard, A. D., Letarov, A. V., & Heaphy, S. (Eds.). (2011). Bacteriophages: Methods and protocols, Volume 1: Isolation, characterization, and interactions. Humana Press.
• Kutter, E., & Sulakvelidze, A. (Eds.). (2005). Bacteriophages: Biology and applications. CRC Press.
• Harper, D. R. (Ed.). (2018). Bacteriophages as antiviral agents. Springer.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào phage có thể xâm nhập vào tế bào vi khuẩn khi chúng có thành tế bào cứng chắc?

Trả lời: Phage sử dụng các enzyme đặc biệt nằm ở đuôi, ví dụ như lysozyme, để phân hủy thành tế bào vi khuẩn. Sau đó, phage tiêm vật liệu di truyền của nó vào tế bào vi khuẩn thông qua đuôi co rút hoặc các cơ chế khác.

Ngoài vòng đời tan và tiềm tan, còn có kiểu vòng đời nào khác của phage không?

Trả lời: Có, một số phage có vòng đời giả tiềm tan (pseudolysogeny). Trong vòng đời này, DNA của phage không được tích hợp vào bộ gen của vi khuẩn mà tồn tại dưới dạng plasmid hoặc ở trạng thái không hoạt động trong tế bào vi khuẩn. Vòng đời này thường xảy ra khi vi khuẩn chủ ở trong điều kiện stress.

Hệ thống CRISPR-Cas hoạt động như thế nào để chống lại sự lây nhiễm của phage?

Trả lời: Hệ thống CRISPR-Cas hoạt động như một hệ thống miễn dịch thích nghi của vi khuẩn. Khi phage xâm nhập, hệ thống này sẽ cắt một đoạn DNA của phage và tích hợp nó vào vùng CRISPR trong bộ gen của vi khuẩn. Đoạn DNA này được phiên mã thành RNA dẫn đường (crRNA), sau đó kết hợp với enzyme Cas để nhận diện và cắt DNA của phage xâm nhập trong tương lai, ngăn chặn sự lây nhiễm.

Liệu pháp phage có những ưu điểm và nhược điểm gì so với kháng sinh?

Trả lời:

• Ưu điểm: Tính đặc hiệu cao (chỉ tiêu diệt vi khuẩn đích), khả năng tiến hóa để vượt qua sự kháng thuốc, ít tác dụng phụ, có thể tác động lên vi khuẩn kháng kháng sinh.
• Nhược điểm: Khả năng phát triển kháng phage của vi khuẩn, khó khăn trong việc lựa chọn phage phù hợp cho từng trường hợp nhiễm trùng, cần nghiên cứu thêm về tính an toàn và hiệu quả trên diện rộng.

Ứng dụng của phage trong nông nghiệp là gì?

Trả lời: Phage được sử dụng trong nông nghiệp để kiểm soát các bệnh do vi khuẩn gây ra trên cây trồng và vật nuôi. Chúng có thể được sử dụng như một phương pháp thay thế cho thuốc trừ sâu và kháng sinh, giúp giảm thiểu việc sử dụng hóa chất và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Ví dụ, phage đã được sử dụng để kiểm soát bệnh thối nhũn trên rau quả và bệnh nhiễm trùng do Salmonella ở gia cầm.