Vi khuẩn lấy sắt từ con người bằng cách nào

Cũng giống như con người, vi khuẩn cần sắt để tồn tại và chúng cũng phải lấy sắt từ môi trường sống. Trong khi con người lấy sắt chủ yếu qua thức ăn, vi khuẩn lại tiến hóa các cơ chế phức tạp và đa dạng cho phép chúng lấy được sắt.

Một nhóm nghiên cứu thuộc đại học Syracuse dưới sự chỉ đạo của Robert Doyle – trợ lý giáo sư hóa học thuộc đại học Khoa học và Nghệ thuật – đã phát hiện ra rằng một số loại vi khuẩn được trang bị gen tạo điều kiện cho chúng “thu hoạch” sắt từ môi trường hay từ vật chủ là chính con người theo một phương thức hiệu quả và độc đáo. Phát hiện của Doyle có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu những con đường mới hướng đến các căn bệnh như bệnh lao. Nghiên cứu sẽ được công bố trên số ra tháng 8 trên tờ báo uy tính Journal of Bacteriology do Hiệp hội Vi sinh vật Hoa Kỳ xuất bản.

Doyle cho biết: “Sắt và vi chất dinh dưỡng qua trọng nhất mà vi khuẩn cần có để tồn tại. Hiểu được cách thức các vi khuẩn sinh sôi trong cơ thể chúng ta là một yếu tố thiết yếu để tìm ra cách loại bỏ chúng”.

Nhóm nghiên cứu của Doyle đã tìm hiểu vi khuẩn Streptomyces coelicolor – loại vi khuẩn gam dương có liên hệ gần gũi với vi khuẩn gây bệnh lao. Streptomyces coelicolor xuất hiện nhiều trong đất đá và trong rau củ bị thối, nhưng chúng lại không làm hại con người. Vi khuẩn TB và Streptomyces đều thuộc họ vi khuẩn có tên Actinomycetes. Chúng có cơ chế phòng vệ độc nhất vô nhị tạo điều kiện cho chúng sản xuất các chất hóa học nhằm tiêu diệt kẻ thù. Một số chất này được sử dụng để tạo ra kháng thể cũng như các loại dược phẩm khác.

Vi khuẩn Streptomyces coelicolor. (Ảnh: template.bio.warwick.ac.uk)

Actinomycetes cần rất nhiều sắt để có thế tiến hành cuộc chiến hóa học với kẻ thù, tuy nhiên lấy được sắt từ môi trường mà chúng sống, ví dụ như con người hay đất đá, không phải là việc dễ dàng. Sắt có thể kết hợp với muối của axit citric (muối citrate) trong đất đá, hình thành nên hợp chất có tên sắt – muối citrate. Muối citrate là hợp chất được tế bào sử dụng với vai trò làm nguồn cung cấp năng lượng. Doyle cùng nhóm nghiên cứu của ông đã đặt ra câu hỏi liệu hợp chất sắt – muối citrate có thể là nguồn cung cấp sắt cho vi khuẩn hay không. Qua rất nhiều thí nghiệm tiến hành trong suốt hpn 2 năm, các nhà nghiên cứu đã quan sát được rằng Streptomyces có thể ăn sắt – muối citrate, chuyển hóa sắt và sử dụng muối của axit citric làm nguồn cùng cấp năng lượng miễn phí. Các thí nghiệm khác cũng chứng minh vi khuẩn phớt lờ muối citrate khi nó không bám kết với sắt. Tương tự như tế, vi khuẩn cũng không thèm đoái hoài đến muối citrate khi nó gắn kết với các kim loại khác ví dụ như magiê, niken hay coban.

Bước tiếp theo của nghiên cứu là tìm ra cơ chế thúc đẩy vi khuẩn ăn muối sắt – muối citrate. Mô hình máy tính dự đoán rằng một gen của Streptomyces cho phép nó nhận diện và ăn hợp chất sắt – muối citrate. Các nhà nghiên cứu đã tách gen nói trên rồi đưa nó vào vi khuẩn E. coli (không thuộc họ vi khuẩn Actinomycete). Họ phát hiện ra rằng vi khuẩn E. coli đột biến cũng có thể ăn hợp chất sắt – muối citrate. Nếu không có gen này, vi khuẩn E. coli không thể lấy được sắt.

Doyle cho biết: “Thật ngạc nhiên là vi khuẩn có thể học cách để tinh chế sắt từ môi trường theo cách này. Chúng tôi thực hiên thí nghiệm nhưng không hề nghĩ rằng có cơ chế như thế này tồn tại. Nhưng vi khuẩn buộc phải sáng tạo để tồn tại trong những môi trường cực kì khắc nghiệt. Có lẽ chúng đã có tới 3,5 tỉ năm để tìm ra cơ chế đó”.

Gen Streptomyces cho phép vi khuẩn khuếch tán bị động hợp chất sắt – muối citrate qua màng tế bào, điều này có nghĩa là vi khuẩn không cần phải tiêu dùng năng lượng bổ sung để lấy sắt. Một khi sắt đã ở trong tế bào, vi khuẩn chuyển hóa sắt. Muối citrate với vai trò như phần thưởng ngoài lề được sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng. Nhóm nghiên cứu của Doyle là nhóm đầu tiên phát hiện ra cơ chế của họ vi khuẩn Actinomycete. Nhóm dự kiến sẽ tiến hành thêm nhiều thí nghiệm bổ sung để khẳng định chắc chắn rằng gen Streptomyces cũng thực hiện cùng một chức năng đối với vi khuẩn gây bệnh lao. Nếu đúng như thế, cơ chế có thể sẽ được khai thác để phục vụ cho cuộc chiến chống bệnh lao.

Doyle nói: “Vi khuẩn TB có thể tiếp cận được với nguồn cung cấp sắt – muối citrate dồi dài chảy trong máu qua phổi. Tìm ra cách để “lấy trộm” sắt từ con người mà không phải mất năng lượng quả thực rất hiệu quả đối với vi khuẩn. Phát hiện của chúng tôi có thể tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu khác tìm ra phương pháp hạn chế tiếp xúc với sắt- citrate của vi khuẩn TB khiến dược phẩm tiêu diệt vi khuẩn có công dụng cao hơn”.