Vi khuẩn Gram âm (Gram-negative bacteria)

Cấu trúc Thành Tế bào

Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa vi khuẩn Gram âm và Gram dương nằm ở thành tế bào. Thành tế bào của vi khuẩn Gram âm gồm nhiều lớp, tạo nên một hàng rào bảo vệ phức tạp:

• Màng trong (Cytoplasmic membrane/Inner membrane): Tương tự như màng tế bào của vi khuẩn Gram dương, màng trong là một lớp phospholipid kép có chức năng điều hòa sự vận chuyển các chất vào và ra khỏi tế bào. Nó chứa các protein tham gia vào quá trình vận chuyển, hô hấp và các quá trình trao đổi chất khác.
• Lớp peptidoglycan (Peptidoglycan layer): Mỏng hơn đáng kể so với ở vi khuẩn Gram dương, lớp peptidoglycan nằm trong không gian periplasmic. Nó cung cấp độ cứng cho thành tế bào nhưng không đóng vai trò chủ yếu trong việc duy trì hình dạng tế bào như ở vi khuẩn Gram dương.
• Không gian periplasmic (Periplasmic space): Khoảng trống giữa màng trong và màng ngoài, chứa nhiều loại enzyme và protein tham gia vào các quá trình vận chuyển, chuyển hóa và cảm nhận môi trường. Đây là một khoang chứa nhiều protein quan trọng cho sự sống của vi khuẩn.
• Màng ngoài (Outer membrane): Đây là một lớp phospholipid kép độc đáo chỉ có ở vi khuẩn Gram âm. Màng ngoài chứa lipopolysaccharide (LPS), một loại nội độc tố mạnh có thể gây ra phản ứng viêm mạnh ở động vật. LPS gồm ba phần: Lipid A (gây độc), lõi polysaccharide và chuỗi O-antigen (đặc hiệu cho từng loài). Màng ngoài cũng chứa các protein porin giúp điều chỉnh sự vận chuyển các chất qua màng, góp phần vào tính kháng kháng sinh của vi khuẩn Gram âm.

Lipopolysaccharide (LPS)

LPS là một thành phần quan trọng của màng ngoài, đóng vai trò như một nội độc tố và là yếu tố độc lực chính của vi khuẩn Gram âm. Nó gồm ba phần chính:

• Lipid A: Là phần kỵ nước neo LPS vào màng ngoài, đồng thời là thành phần gây độc chính của LPS. Lipid A chịu trách nhiệm cho nhiều tác động sinh học của LPS, bao gồm sốt, sốc nhiễm khuẩn và kích hoạt hệ miễn dịch.
• Lõi polysaccharide: Một chuỗi polysaccharide ngắn liên kết với Lipid A. Lõi polysaccharide có cấu trúc bảo tồn hơn so với O-antigen và đóng vai trò cấu trúc trong phân tử LPS.
• O-antigen: Một chuỗi polysaccharide dài và biến đổi, nằm ở phần ngoài cùng của LPS. O-antigen đóng vai trò trong việc tránh né hệ thống miễn dịch của vật chủ, giúp vi khuẩn trốn tránh sự nhận diện và tiêu diệt của các tế bào miễn dịch. Sự đa dạng của O-antigen cũng được sử dụng để phân loại huyết thanh học của vi khuẩn Gram âm.

Tính kháng kháng sinh

Cấu trúc thành tế bào phức tạp của vi khuẩn Gram âm, đặc biệt là màng ngoài, khiến chúng kháng với nhiều loại kháng sinh hơn so với vi khuẩn Gram dương. Màng ngoài hoạt động như một rào cản vật lý, ngăn cản sự xâm nhập của một số loại kháng sinh. Các protein porin trên màng ngoài cũng có thể hạn chế sự khuếch tán của kháng sinh vào tế bào. Ngoài ra, một số vi khuẩn Gram âm cũng có các cơ chế kháng kháng sinh khác như sản xuất enzyme phân hủy kháng sinh (ví dụ: beta-lactamase phân hủy penicillin) hoặc biến đổi đích tác động của kháng sinh.

Ý nghĩa Y học

Nhiều vi khuẩn Gram âm là tác nhân gây bệnh quan trọng ở người, gây ra các bệnh nhiễm trùng như viêm phổi (ví dụ: Klebsiella pneumoniae), viêm màng não (ví dụ: Neisseria meningitidis), nhiễm trùng đường tiết niệu (ví dụ: Escherichia coli) và nhiễm trùng huyết (ví dụ: Pseudomonas aeruginosa). Do tính kháng kháng sinh ngày càng tăng, việc điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn Gram âm đang trở thành một thách thức lớn trong y học. Việc tìm kiếm và phát triển các loại kháng sinh mới, cũng như các chiến lược điều trị thay thế, là rất cần thiết để đối phó với vấn đề này.

Ví dụ về vi khuẩn Gram âm

• Escherichia coli (E. coli)
• Salmonella enterica
• Pseudomonas aeruginosa
• Neisseria meningitidis
• Haemophilus influenzae

Vi khuẩn Gram âm là một nhóm vi khuẩn đa dạng và quan trọng, đóng vai trò cả trong hệ sinh thái và trong y học. Hiểu biết về cấu trúc và đặc điểm của chúng, đặc biệt là thành tế bào và LPS, là rất quan trọng để phát triển các chiến lược phòng ngừa và điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn Gram âm gây ra.

Đặc điểm di truyền

Vi khuẩn Gram âm thường có bộ gen phức tạp hơn vi khuẩn Gram dương, với kích thước genome lớn hơn và nhiều gen hơn. Chúng chứa một nhiễm sắc thể vòng, kép và có thể chứa các plasmid, là những phân tử DNA vòng nhỏ, độc lập với nhiễm sắc thể chính, mang gen kháng kháng sinh hoặc các yếu tố độc lực. Việc trao đổi plasmid giữa các vi khuẩn góp phần vào sự lây lan nhanh chóng của tính kháng kháng sinh.

Phương pháp xác định

Phương pháp nhuộm Gram là phương pháp cơ bản để phân biệt vi khuẩn Gram âm và Gram dương. Tuy nhiên, một số vi khuẩn Gram âm có thể cho kết quả nhuộm Gram âm tính giả, do đó cần kết hợp với các phương pháp khác như phân tích sinh hóa, phân tích protein, và phân tích gen 16S rRNA để xác định chính xác loài vi khuẩn.

Sinh thái học

Vi khuẩn Gram âm phân bố rộng rãi trong môi trường tự nhiên, từ đất, nước đến cơ thể động vật và thực vật. Chúng đóng vai trò quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa như chu trình nitơ và chu trình cacbon. Một số vi khuẩn Gram âm sống cộng sinh với sinh vật chủ, đóng góp vào quá trình tiêu hóa, sản xuất vitamin, hoặc bảo vệ chống lại các tác nhân gây bệnh. Trong khi những loài khác lại là tác nhân gây bệnh cho người, động vật và thực vật.

Nghiên cứu

Vi khuẩn Gram âm là đối tượng nghiên cứu quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm vi sinh vật học, miễn dịch học, sinh học phân tử và công nghệ sinh học. Nghiên cứu về vi khuẩn Gram âm giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của tế bào, cơ chế gây bệnh, sự tiến hóa của vi khuẩn và phát triển các phương pháp điều trị mới cho các bệnh nhiễm trùng. Đặc biệt, nghiên cứu về cơ chế kháng kháng sinh của vi khuẩn Gram âm là một lĩnh vực đang được quan tâm hàng đầu.

Hình thái

Vi khuẩn Gram âm thể hiện sự đa dạng về hình thái, bao gồm hình cầu (cocci), hình que (bacilli), hình xoắn ốc (spirilla) và hình dấu phẩy (vibrio). Hình thái của vi khuẩn có thể ảnh hưởng đến khả năng di chuyển, bám dính và gây bệnh của chúng. Ví dụ, một số vi khuẩn hình que có roi giúp chúng di chuyển trong môi trường lỏng, trong khi một số vi khuẩn hình cầu có khả năng tạo thành biofilm, giúp chúng bám dính vào bề mặt và kháng lại tác động của kháng sinh.

• Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2018). Brock Biology of Microorganisms. Pearson.
• Willey, J. M., Sherwood, L. M., & Woolverton, C. J. (2017). Prescott’s Microbiology. McGraw-Hill Education.
• Tortora, G. J., Funke, B. R., & Case, C. L. (2016). Microbiology: An Introduction. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao lớp peptidoglycan mỏng ở vi khuẩn Gram âm không có tác dụng chính trong việc duy trì hình dạng tế bào như ở vi khuẩn Gram dương?

Trả lời: Mặc dù peptidoglycan cung cấp một số độ cứng cho thành tế bào, nhưng chính màng ngoài mới là yếu tố chủ yếu quyết định hình dạng tế bào ở vi khuẩn Gram âm. Màng ngoài là một cấu trúc phức tạp và cứng chắc hơn so với lớp peptidoglycan mỏng, do đó nó đóng vai trò quan trọng hơn trong việc duy trì hình dạng tế bào.

Cơ chế nào khiến LPS gây ra phản ứng viêm mạnh ở vật chủ?

Trả lời: LPS, đặc biệt là Lipid A, được nhận diện bởi hệ thống miễn dịch của vật chủ, cụ thể là thụ thể Toll-like receptor 4 (TLR4). Sự tương tác này kích hoạt một loạt các phản ứng, dẫn đến việc sản xuất các cytokine tiền viêm như TNF-α, IL-1β, và IL-6. Chính các cytokine này gây ra các triệu chứng của phản ứng viêm như sốt, sưng và đau. Trong trường hợp nặng, phản ứng viêm quá mức có thể dẫn đến sốc nhiễm trùng.

Ngoài màng ngoài và sản xuất enzyme phân hủy kháng sinh, còn cơ chế nào khác giúp vi khuẩn Gram âm kháng kháng sinh?

Trả lời: Một số cơ chế khác bao gồm: biến đổi đích tác động của kháng sinh (ví dụ: đột biến ở ribosome làm giảm hiệu quả của kháng sinh ức chế tổng hợp protein), bơm đẩy kháng sinh ra khỏi tế bào (efflux pumps), và hình thành màng sinh học (biofilm) giúp bảo vệ vi khuẩn khỏi tác động của kháng sinh.

Vai trò của vi khuẩn Gram âm trong chu trình nitơ là gì?

Trả lời: Vi khuẩn Gram âm đóng vai trò quan trọng trong nhiều bước của chu trình nitơ, bao gồm: cố định nitơ (chuyển đổi nitơ khí thành amoniac), nitrat hóa (chuyển đổi amoniac thành nitrit và nitrat), và phản nitrat hóa (chuyển đổi nitrat thành nitơ khí). Những quá trình này rất quan trọng đối với sự sống trên Trái Đất vì chúng giúp chuyển hóa nitơ thành các dạng mà thực vật có thể sử dụng được.

Làm thế nào để nghiên cứu về vi khuẩn Gram âm có thể giúp phát triển các phương pháp điều trị mới cho các bệnh nhiễm trùng?

Trả lời: Nghiên cứu về vi khuẩn Gram âm giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế gây bệnh, cơ chế kháng kháng sinh, và các yếu tố độc lực của chúng. Từ đó, chúng ta có thể phát triển các loại kháng sinh mới nhắm vào các đích đặc hiệu của vi khuẩn Gram âm, phát triển các chiến lược mới để vượt qua cơ chế kháng kháng sinh, và phát triển vaccine để phòng ngừa các bệnh nhiễm trùng.