Quorum sensingứng dụng trong nuôi trồng thủy sản I.Giới thiệu: 1.Định nghĩa: Quorum Sensing (QS) là một dạng “giao tiếp của vi khuẩn” dựa trên cơ sở sản xuất tiết ra các phân tử tín hiệu có thể được nhận biết bởi một vi khuẩn liền kề. Khi mật độ vi khuẩn gia tăng, các phân tử này sẽ được tích lũy trên môi trường ngoại bào và thông qua đó giúp chúng có thể kiểm soát số lượng cũng như sự hiện diện của những loài vi khuẩn khác. Những phân tử này khi đạt đến ngưỡng nhất định nào đó sẽ kích hoạt tín hiệu bên trong vi khuẩn và cực đại hóa hoạt động của một gen đặc hiệu.Hầu hết các vi khuẩn gây bệnh với hệ QS đã được nghiên cứu đều cho thấy rằng QS có liên quan đến gen gây bệnh. 2.Vật chất liên lạc của Quorum Sensing: Các vi khuẩn có thể tự tổng hợp và tiết ra những chất làm dấu hiệu một cách chắc chắn, gọi là chất kích thích (pheromones hay là autoinducer – AI) thường là N – acyl homoserine lactones (AHLs). Vi khuẩn cũng có cơ quan đặc biệt để nhận biết được các tác nhân gây cảm ứng. Khi tác nhân gây cảm ứng này bao quanh cơ quan thụ cảm của vi khuẩn thì nó làm hoạt hóa sự sao chép của các gen chủ yếu trong đó bao gồm cả sự tổng hợp các chất gây cảm ứng.
Trang 1Quorum sensing-ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản
I.Giới thiệu:
1.Định nghĩa:
Quorum Sensing (QS) là một dạng “giao tiếp của vi khuẩn” dựa trên cơ sở sản xuất tiết ra các phân tử tín hiệu có thể được nhận biết bởi một vi khuẩn liền kề Khi mật độ vi khuẩn gia tăng, các phân tử này sẽ được tích lũy trên môi trường ngoại bào và thông qua đó giúp chúng có thể kiểm soát số lượng cũng như sự hiện diện của những loài vi khuẩn khác Những phân tử này khi đạt đến ngưỡng nhất định nào đó sẽ kích hoạt tín hiệu bên trong vi khuẩn và cực đại hóa hoạt động của một gen đặc hiệu.Hầu hết các vi khuẩn gây bệnh với hệ QS đã được nghiên cứu đều
cho thấy rằng QS có liên quan đến gen gây bệnh.
2.Vật chất liên lạc của Quorum Sensing:
Các vi khuẩn có thể tự tổng hợp và tiết ra những chất làm dấu hiệu một cách chắc chắn, gọi là chất kích thích (pheromones hay là autoinducer – AI) thường là N – acyl homoserine lactones (AHLs) Vi khuẩn cũng có cơ quan đặc biệt để nhận biết được các tác nhân gây cảm ứng Khi tác nhân gây cảm ứng này bao quanh cơ quan thụ cảm của vi khuẩn thì nó làm hoạt hóa sự sao chép của các gen chủ yếu trong đó bao gồm cả sự tổng hợp các chất gây cảm ứng
Trang 2Khi chỉ có một vài vi khuẩn cùng loài ở các vùng lân cận thì sự truyền thông tin làm giảm
sự tập trung của các tác nhân gây cảm ứng từ mức trung bình cho đến 0, do đó vi khuẩn tạo ra rất ít các chất gây cảm ứng Thoạt đầu khi ở mức độ thấp chúng khuếch tán ra khỏi vùng của chúng và xâm nhập vào các vùng khác Tại những vùng này vi khuẩn có những
cơ chế bên trong để truyền thông tin cho đồng loại tập trung Sau khi thông tin được phát
ra thì có sự tập trung của đồng loại Khi sự tập trung của đồng loại đến mức đủ lớn
thì có những tín hiệu được phát đi báo hiệu cho những vùng tương tự có mặt và trả lời bằng 2 cách:
– Sự hợp lại của các vùng có mật độ thấp để trở thành vùng có mật độ
đủ lớn có khả năng gây hại cho vật chủ
– Sau khi tiếp nhận được thông tin thì chúng sinh sản nhanh để đạt được số lượng cần thiết
Những vùng này sau một lần thông báo thì nó cũng trả lời lại và làm cho nhiều AI báo động cho những vùng bên cạnh
Có nhiều kiểu cơ chế của thụ cảm Quorum sensing và nhiều loại vi khuẩn tham gia với nhiều loại cơ chế khác nhau ở các tổ chức Tuy vậy, sự khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của vi khuẩn Gram dương hay Gram âm
3.Phương thức giao tiếp của vi khuẩn:
Quorum sensing được thực hiện thông qua các tín hiệu phân tử trung gian có thể khuếch tán được Các tế bào vi khuẩn liên tục sản xuất ra các phân tử tín hiệu và nó được tích lũy ngày càng nhiều Khi sự tích lũy các phân tử này đạt đến một ngưỡng nhất định, sự thay đổi nồng độ biểu hiện gen được kích hoạt và dẫn đến sự thay đổi hành vi của cả cộng đồng vi khuẩn
Các phân tử tín hiệu này có thể xem như một loại ngôn ngữ của vi khuẩn giúp chúng giao tiếp với nhau Mỗi loài vi khuẩn có một loại ngôn ngữ riêng, nhưng chúng cũng có thể giao tiếp với các loài khác Đối với vi khuẩn gram (-), ngôn ngữ của chúng dựa trên acylated homoserine lactones (AHLs), trong khi đối với vi khuẩn gram (+), ngôn ngữ của chúng dựa trên các phân tử peptide nhỏ Sự khác nhau và sự biến đổi cấu trúc của các
Trang 3phân tử chịu trách nhiệm trong ngôn ngữ giao tiếp là đặc trưng cho từng loài vi khuẩn Cả hai loại vi khuẩn gram (-) và gram (+) đều sản xuất và đáp ứng với cùng một phân tử được gọi là AI-2 AI-2 là đại diện cho một loại ngôn ngữ phổ biến trong giao tiếp của vi khuẩn, giúp cho các loài khác nhau trong cộng đồng vi khuẩn có thể giao tiếp với nhau(nó cũng có thể so sánh như tiếng Anh, loại ngôn ngữ hiện đang sử dụng rộng rải trên thế giới để giúp con người ở các nước khác nhau có thể giao tiếp với nhau) Các nhóm vi khuẩn khác nhau, ví dụ như vi khuẩn Vibrio, chúng có ngôn ngữ riêng đặc trưng cho cả nhóm chứ không phải riêng biệt cho từng loài vi khuẩn Vibrio
4.Cơ chế giao tiếp :vi khuẩn Gram (+),Gram(-):
Vi khuẩn Gram (-):
Trang 5Hình 1:Giao tiếp vi khuẩn vibrio fiscberi bởi mạch tín hiệu LuxI,hình tam giác màu đỏ chỉ autoinducer sản xuất bởi LuxI.OM(ngoài màng),IM(trong màng)
Trang 6Đại diện cơ chế giao tiếp của vi khuẩn Gram âm bởi vi khuẩn vibrio fiscberi đặc trưng sự phát sáng trong nước biển khi ở mật độ cao
- Hai protein(LuxI -LuiR),kiểm soát bởi Operon luciferase(LuxICDABE) cần thiết cho sản xuất ánh sáng.(hình 1)
- LuxI(synthase autoinducer),autoinducer 3OC6-homoserine lactone sản xuất lacton acyl-homoserine(AHL).(hình 2a)
- LuxR các tế bào thụ thể autoindcer /ràng buộc DNA activator phiên mã Sau sản xuất,các AHL tự do khuếch tán vào ra khỏi tế bào và tăng nồng độ mật độ tế bào
- Khi tín hiệu đạt đến một ngưỡng nhất định được LuxR điều khiển kích hoạt phiên mã operon luciferase mã hóa Quan trọng hơn phức hợp LuxR-AHL còn cảm ứng biểu hiện của LuxI vì nó mã hóa trong operon luciferase.Điều đó tạo ra một tín hiệu chung cho toàn quần thể vi khuẩn chuyển sang “Qourum Sensing”.Thường vi khuẩn ít khi sử dụng một LuxIR trong hệ thống Qourum Sensing mà sử dụng nhiều LuxR thường kết hợp vs các loại mạch Qourum Sensing
+Vi khuẩn Gram dương(+):
Trang 7Hình 3:Sử dụng hai thành phần phản ứng trong hệ thống của vi khuẩn Staphylococcus aureus để phát hiện đáp ứng sự khác thường peptide chấm tròn nhỏ màu đỏ chỉ AIP,P2-P3 chất hoat hóa cho agrBDCA và RNAIII tương ứng
- Vi khuẩn gram dương giao tiếp bằng oligopeptides như một tín hiệu,màng cảm biến histidine kinases như cơ quan thụ cảm.Các tín hiệu trung gian bởi phosphoryl ảnh hưởng đến hoạt động phiên mã của DNA.Tương tự như các cơ chế khác vi khuẩn gram âm sử dụng LuxIR trong hệ thống Quorum sensing thì vi khuẩn gram dương cấu trúc sử dụng
Trang 8một tín hiệu khác và các thụ thể có cùng nguồn gốc rất nhạy với các tín hiệu.Các tín hiệu peptide không khuếch tán trên màng,do đó phát tín hiệu qua trung gian oligopeptide chuyên dụng.Các tín hiệu trong Quorum sensing được tách ra từ tiền peptide lớn hơn sau
đó sửa đổi đê chứa lactone,thiolactone,lanthionines,nhóm isoprenyl.Nhiều vi khuẩn gram dương giao tiếp với sự kết hợp nhiều loại peptide tạo thành nhiều loại tín hiệu trong Quorum sensing
- Peptide trong Quorum sensing tồn tại trong Staphylococcus aureus thường vô hại lại trở thành nguy hại khi xâm nhập vào các mô của vật chủ.S.aureus sử dụng cơ chế gồm hai giai đoạn gây bệnh:ở mật độ thấp vi khuẩn sử dụng protein để thúc đẩy mật độ,mật độ cao vi khuẩn sử dụng những đặc điểm bắt đầu tiết ra độc tố và protease cần thiết để thực hiện việc đó,biểu hiện gen được quy định bởi Agr trong hệ thống Quorum sensing.Hệ thống bao gồm:AIP được mã hóa bởi ArgD và hai thành phần phản ứng kinase ArgC-ArgA,tương ứng sự xuất protein ArgB và sự sửa đổi thiolactone của vi khuẩn S.aureus AIPs.Bắc buộc của AIP để ArgC dẫn đến phosphoryl ArgA.phosphoryl ArgA gây ra bởi
sự biểu hiện của một RNA gọi là RNAIII.Sự biểu hiện của yếu tố này tiết ra kích hoạt ArgA gây biểu hiện ArgBDCA.Điều đó tăng AIP đảm bảo rằng các tế bào chuyển từ mật
độ thấp sang mật độ cao
II ỨNG DỤNG:
Nhiều bệnh nguy hiểm xảy ra với con người và vật nuôi có nguồn gốc từ vi khuẩn Gram
âm Với việc khám phá ra hệ thống Quorum sensing cùng với những hiểu biết về khả năng gây bệnh của vi khuẩn đã mở ra cho các nhà khoa học hướng nghiên cứu mới về khả năng ứng dụng của Quorum sensing Cơ sở của những ứng dụng này là điều khiển số
lượng vi khuẩn bằng cách làm nhiễu hệ thống dấu hiệu của chúng Từ đó vi khuẩn không
có khả năng tập trung đủ số lượng để gây bệnh hoặc là do nhiều gen gây bệnh của vi khuẩn do bị rối loạn của hệ thống Quorum sensing mà không thể tổng hợp được Do vậy nếu chúng ta điều khiển được hệ thống này thì vi khuẩn không có khả năng gây bệnh nữa Trong y học, thay vì phải dùng thuốc kháng sinh thì ta có thể phá hủy những dấu hiệu liên lạc của vi khuẩn hoặc khóa cơ quan thụ cảm của chúng Điều này làm cho vi khuẩn không đủ số lượng cần thiết để gây bệnh
Trong nuôi trồng thủy sản đã có những nghiên cứu về sự phá hủy hệ thống Quorum sensing để ngăn ngừa và phòng trị dịch bệnh trong quá trình nuôi Ví dụ: ấu trùng
Trang 9Nauplius của Artemia franciscana có thể sống sót sau khi xử lý vi khuẩn Aeromonas hydrophila, Vibrio anguillarum và Vibrio haeveyi gây bệnh phát sáng bằng cách phá hủy
hệ thống Quorum sensing của các loài vi khuẩn này
Ở một số vi khuẩn sự tập trung số lượng đủ lớn và có sự thiết lập màng sinh học mới là điều kiện để gây bệnh Dựa vào đặc điểm này nếu ta tác động vào Quorum sensing làm cho màng sinh học của vi khuẩn thiết lập chậm chạp hoặc không được thiết lập, hoặc gây cản trở sự tập trung số lượng vi khuẩn Như vậy sẽ có ích trong việc ngăn chặn hay điều trị bệnh do vi khuẩn
Ngược lại nếu ta có thể tác động làm tăng khả năng thành lập màng sinh học của các vi khuẩn có lợi sẽ làm tăng nhanh chóng số lượng vi khuẩn có lợi để phục vụ cho mục đích nhất định nào đó Chẳng hạn thành lập bộ lọc sinh học để làm sạch nước hay thiết lập hành rào sinh học để giữ lại các chất bẩn Điều này rất có lợi trong môi trường nước đặc biệt là trong nuôi trồng thủy sản
Quá trình ức chế giao tiếp của vi khuẩn gọi là quorum quenching Có rất nhiều chất
ức chế phân tử tín hiệu quorum sensing, hoặc ngăn cản quá trình giao tiếp giữa các vi khuẩn với nhau đã được phát hiện trong tự nhiên Tảo, bọt biển, một số loài thực vật và rất nhiều loài vi khuẩn sản sinh ra rất nhiều chất ức chế khác nhau có thể phá hủy, hoặc khóa (block) quá trình sản xuất các phân tử tín hiệu quorum sensing
Để kiểm tra quá trình ức chế giao tiếp của vi khuẩn quorum quencing, rất nhiều loại cảm biến sinh học hiện nay có thể làm được điều đó Khi có sự hiện diện của các phân tử tín hiệu, các cảm biến sẽ kích thích sản xuất ánh sáng hoặc các sắc tố màu tím hoặc phát huỳnh quang hay một đặc điểm nào đó để có thể dễ dàng phát hiện Nếu có sự xuất hiện đồng thời của một hợp chất ức chế hoặc enzyme phân hủy tín hiệu, chứng tỏ tín hiệu quorum sensing đã bị ức chế, và điều này đồng nghĩa với việc vi khuẩn đã bị cắt đắt liên lạc và chúng không thể giao tiếp với nhau nữa (Bảng 1)
Trang 10Bảng 1: Các công cụ khác nhau để xác định quá trình sản xuất của các phân tử tín hiệu
và quorum quencing
Một ví dụ về ức chế phân tử tín hiệu quorum sensing ở vi khuẩn
Tảo và một số loài thực vật (ví dụ như rong đỏ, quế, tỏi, gừng) có thể sản xuất ra các hợp chất có đặc tính giống với phân tử tín hiệu quorum sensing ở vi khuẩn là AHL làm cho nó không thể nhận ra sự bất thường hoặc các hợp chất đó có thể làm mất ổn định của
hệ thống phát hiện (detector) của vi khuẩn và ngăn chặn các luồng thông tin giao tiếp giữa các vi khuẩn Một hợp chất ức chế phân tử tín hiệu quorum sensing nổi tiếng là cinnamaldehyde (Hình 1) Có rất nhiều thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và có thể khẳng định nó có thể phá hủy các phân tử tín hiệu quorum sensing
Hình 1 (bên trái): Nồng độ khác nhau của cinnamalhehyde trong thí nghiệm; Hình 2 (bên phải): Vi khuẩn Bacillus trong chế phẩm sinh học được kiểm tra quorum quencing
Rất nhiều loài vi khuẩn gram (-), bao gồm các dòng vi khuẩn trong các chế phẩm sinh học (probiotic) như Bacillus sp sản xuất ra các enzyme như lactonase hoặc AHL-acylase có thể ức chế quá trình giao tiếp của các vi khuẩn gram (-) bằng cách làm giảm tín hiệu của phân tử AHL Phân tích chủng vi khuẩn Bacillus có trong chế phẩm sinh học AquaStar® cho thấy, dòng vi khuẩn Bacillus này có thể gây ức chế quá trình giao tiếp của vi khuẩn (Hình 2) Do đó, quorum quenching là một phần trong cơ chế hoạt động của chế phẩm sinh học AquaStar®
Trang 11Hình 1 - Mô tả một phương cách phòng bệnh bằng cách làm giảm thấp mật số vi khuẩn
gây bệnh thông qua việc ứng dụng các sản phẩm diệt khuẩn hoặc kháng sinh tổng hợp
Hình 2
- Mô tả
phương
cách
phòng
bệnh
bằng
cách "khóa" chặt hệ thống giao tiếp của vi khuẩn, bằng cách này, chúng không thể "kích hoạt" hoạt động của gen gây bệnh, mặc dù mật số của chúng không hề giảm đi
III.KẾT LUẬN:
Phá vỡ quá trình giao tiếp của vi khuẩn có thể giúp ích cho quá trình ngăn chặn các loài vi khuẩn
có hại phát triển Trong trường hợp các tác nhân gây bệnh, sự can thiệp này có thể ngăn chặn sự bùng nổ của các bệnh truyền nhiễm, bởi vì các mầm bệnh không thể phối hợp với nhau để gia tăng sức mạnh và chúng sẽ dễ dàng bị tiêu diệt Trong khi các chủng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh đang có chiều hướng gia tăng, cơ chế tấn công thông qua quá trình ức chế phân tử tín hiệu quorum sensing sẽ là một công cụ hữu hiệu để kiểm soát mầm bệnh.
