Cảnh vi khuẩn ăn DNA để có thể tiến hóa thành chủng kháng kháng sinh

Dưới kính hiển vi, hai đốm sáng màu xanh lá này là những con vi khuẩn Vibrio cholerae – loại mầm bệnh gây ra dịch tả. Theo dõi chúng, các nhà khoa học đã chộp được một khoảnh khắc độc nhất vô nhị từ trước đến nay:

Một trong hai con Vibrio cholerae vươn thứ gì đó giống như một cái vòi ra bên ngoài, nó bắt một mảnh DNA (màu đỏ) rồi kéo vào cơ thể.

Thực ra, cái vòi của vi khuẩn được các nhà khoa học gọi là pili. Nhờ hoạt động “săn bắt” của nó, vi khuẩn có thể nhặt các mảnh DNA trôi nổi từ xác của một vi khuẩn khác để kết hợp vào DNA của chính nó. Pili là công cụ để vi khuẩn đẩy nhanh quá trình tiến hóa, trong một quá trình được gọi là chuyển gene ngang.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học mới chỉ coi chuyển gene ngang là một giả thuyết. Nghĩa là họ chỉ mới tưởng tượng ra quá trình này. Đây là lần đầu tiên một video ghi lại được quá trình chuyển gene ngang trong thực tế. Đó là một bằng chứng để xác nhận giả thuyết.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học quay lại được quá trình chuyển gen ngang của vi khuẩn.

Theo nhà sinh vật học Ankur Dalia đến từ Đại học Indiana Bloomington, chuyển gene ngang là một trong những cách chính giúp vi khuẩn học được khả năng kháng kháng sinh . Tuy nhiên từ trước đến nay, quá trình này chưa bao giờ được quan sát thấy trực tiếp, bởi vi khuẩn và các cấu trúc của nó cực kỳ nhỏ.

Bây giờ, bằng việc quay lại được quá trình chuyển gene ngang, chúng ta sẽ hiểu được cách vi khuẩn chia sẻ DNA với nhau. Một khi càng hiểu quy trình này, các nhà khoa học càng có cơ hội tốt để ngăn chặn nó xảy ra, làm giảm khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn.

Vậy làm sao mà họ có thể quay được những thước phim này của vi khuẩn? Những cái vòi pili của chúng mỏng hơn 10.000 lần so với sợi tóc người.

Hóa ra, họ đã nhuộm những con vi khuẩn bằng một loại thuốc phát sáng huỳnh quang. Nhờ vậy, những con vi khuẩn và cái vòi pili của nó sẽ phát ra ánh sáng xanh dưới kính hiển vi, trong khi những mảnh DNA mà chúng ta thấy sẽ có màu đỏ.

Trong video trên, bạn có thể thấy phía bên tay trái là những con vi khuẩn không được nhuộm. Hình ảnh về chúng không tiết lộ bất kể một hoạt động nào trong quá trình chuyển gen ngang. Nhưng khi được nhuộm, quá trình này đã lần đầu tiên được các nhà khoa học quan sát bằng mắt thường, dưới sự trợ giúp của kính hiển vi.

Vòi pili vươn ra từ bên trong vi khuẩn, xuyên qua các lỗ nhỏ trên màng tế bào. Pili kéo một mảnh DNA vào trong tế bào với độ chính xác rất cao. "Nó giống như một cây kim", nhà sinh vật học Courtney Ellison nói.

"Kích thước của lỗ trên màng ngoài gần như bằng chính chiều rộng của một DNA xoắn uốn cong làm đôi, có khả năng là những gì đang đi qua [màng tế bào vào bên trong]. Nếu không có một pili hướng đường cho nó, cơ hội DNA chạm được vào lỗ hổng ở góc phải để đi vào tế bào về cơ bản là bằng không".

Các phân cảnh hoạt động của vòi pili, cắt ra từ video gốc.

Như chúng ta đã biết, khả năng kháng kháng sinh có thể được truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác theo nhiều cách khác nhau. Một trong số đó là cơ chế chuyển gen ngang qua việc hấp thụ các DNA trôi nổi trong môi trường.

Khi vi khuẩn chết, chúng vỡ tan ra và giải phóng các mảnh DNA của mình. Các mảnh DNA trôi nổi này sẽ trở thành mục tiêu săn tìm của các vi khuẩn sống khác. Nếu vi khuẩn chết có gene kháng kháng sinh, vi khuẩn sống bắt được DNA của nó cũng phát triển tính kháng kháng sinh đó - và lây lan sang vi khuẩn con cháu mà chúng sinh ra sau này.

Bằng cơ chế chuyển gene ngang, kháng kháng sinh có thể lây truyền nhanh trong cộng đồng. Và đó là một vấn đề đáng lo ngại. Theo Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa bệnh tật Hoa Kỳ (CDC), chỉ riêng ở Mỹ mỗi năm đã có ít nhất 23.000 ca tử vong vì kháng kháng sinh.

Bằng cách tìm ra chính xác cơ chế vi khuẩn sử dụng để lây lan khả năng kháng kháng sinh, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sớm tìm ra cách ngăn chặn nó.

Bước tiếp theo, họ sẽ tìm hiểu tại sao pili có thể bám vào DNA ở đúng vị trí nó mong muốn - đặc biệt là khi protein liên quan đến quá trình này dường như tương tác với DNA theo cách rất lạ, mà chưa nhà khoa học nào từng thấy trước đây.

Thuốc nhuộm huỳnh quang và kỹ thuật quay video hiển vi cũng sẽ được áp dụng để quan sát các chức năng khác của pili. "Đây là những bộ phận phụ thực sự linh hoạt [của vi khuẩn]", Dalia nói. "Phương pháp [nhuộm huỳnh quang] được phát minh tại Đại học Indiana thực sự đã mở ra sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về một loạt các chức năng của vi khuẩn".

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Microbiology.