Các nhóm vi khuẩn chủ yếu: Cổ khuẩn(Archaea)

Các nhóm vi khuẩn chủ yếu: Cổ khuẩn(Archaea)

Các nhóm vi khuẩn chủ yếu: Cổ khuẩn(Archaea)

Mở đầu

Những vi sinh vật có khả năng sinh methane (mêtan), mẫn cảm với oxygen và có cấu trúc màng tế bào đặc biệt đã được biết đến từ lâu nhưng mãi đến cuối những năm 1970 chúng mới được nhìn nhận như đại diện của một dạng sống thứ ba trên trái đất bên cạnh vi khuẩn

và sinh vật nhân thật, đó là cổ khuẩn Carl R Woese

và cộng sự (1977) sau khi xem xét trình tự 16S rARN nhận thấy rằng các sinh vật nhân nguyên thuỷ (Prokaryote) cần được chia thành hai nhóm khác biệt nhau hoàn toàn là Vi khuẩn (Eubacteria hay Bacteria)

và Cổ khuẩn (Archaeabacteria hay Archaea), và cùng với các Sinh vật nhân thật (Eukarya) làm thành ba lĩnh giới (Domains) ở sinh vật (Hình 1) Các nghiên cứu sâu hơn về phả hệ và đặc điểm sinh lý sinh hoá cho thấy rằng cổ khuẩn được tách ra từ rất sớm trong quá trình tiến hoá, chúng không gần vi khuẩn nhiều hơn so với sinh vật nhân thật, do vậy tên gọi Archaea được đề xuất thay cho Archaeabacteria Hiện nay cả hai tên gọi Archaea và Archaeabacteria đều được sử dụng trong các tài liệu vi sinh vật, tuy nhiên thuật ngữ Archaea chính xác hơn vì rõ ràng cổ khuẩn không phải vi khuẩn mà là một nhóm vi sinh vật riêng biệt

Hình 1 Ba lĩnh giới của sinh vật: Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn (Archaea)

và Sinh vật nhân thật (Eukarya)

Cổ khuẩn là một nhóm vi sinh vật đặc biệt

Cổ khuẩn (Archaea) bắt nguồn từ tiếng La tinh Archaios có nghĩa là cổ, là một nhóm vi sinh vật có nhiều đặc điểm rất khác biệt (Bảng 1)

Bảng 1 Những đặc điểm khác biệt của cổ khuẩn so với vi khuẩn và sinh vật

nhân thật

Đặc điểm Vi khuẩn

(Bacteria) Cổ khuẩn(Archaea)

Sinh vật nhân thật (Eukarya) Thành tế bào Peptidoglycan

Pseudo-peptidoglycan, protein, polysaccharid, glycoprotein

cellulose, carbonat, silicat, chitin…

Màng tế bào Este-lipid Ete-lipid Este-lipid

ARN polymeraza

(trên khuôn ADN)

Chỉ có một loại

4 đơn vị 2abb’

Có nhiều loại

7 - 12 đơn vị

Có ba loại

7 - 12 đơn vị

Phản ứng của

ribosom với độc tố

bạch hầu

Đề kháng Mẫn cảm Mẫn cảm

Cũng như tế bào vi khuẩn, tế bào cổ khuẩn (ngoại trừ chi Thermoplasma) có thành tế bào bên ngoài giữ chức năng bảo vệ Tuy nhiên, không như ở vi khuẩn, thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan và

vì thế không bị phá huỷ dưới tác dụng của lysozym Cổ khuẩn có rất nhiều dạng cấu trúc thành tế bào khác nhau Một số cổ khuẩn (như các loài sinh methane) có thành tế bào cấu tạo bởi một loại polysaccharid rất giống với peptidoglycan được gọi là pseudo-peptidoglycan (pseudomurein) Chuỗi pseudo-peptidoglycan gồm các đơn nguyên glucosamin và N-acetyl-alosamin-uronic acid (thay cho N-acetyl-muramic acid trong peptidoglycan) Ngoài ra, ở đây cầu nối glycosid b1-3 thay thế cho cầu nối glycosid b1-4 ở peptidoglycan Một số cổ khuẩn khác lại hoàn toàn không có cả peptidoglycan

và pseudo-peptidoglycan trong thành tế bào mà thay vào đó là hỗn hợp gồm polysaccharid, glycoprotein hoặc protein Ví dụ như các loài Methanosarcina (cổ khuẩn sinh methane) có thành tế bào là một lớp polysaccharid dày cấu tạo

từ glucoza, glucuronic acid, galactosamin và acetat Các loài cổ khuẩn ưa mặn

cực đoan (extreme halophiles) như là Halococcus có thành tế bào tương tự như Methanosarcina nhưng chứa nhiều hợp chất có nhóm sulfat giống như chondroitin sulfat ở tổ chức liên kết của động vật Dạng cấu trúc thành tế bào phổ biến nhất ở cổ khuẩn là lớp paracrystallin bề mặt (S-layer) gồm protein hay glycoprotein Cấu trúc này được tìm thấy ở các đại diện thuộc tất cả các nhóm cổ khuẩn, từ ưa mặn cực đoan (extremely halophilic), ưa nhiệt cực đoan (extremely thermophilic) và cả các loài sinh methane Đặc biệt các chi Methanospirillum và Methanothrix (cổ khuẩn sinh methane) có cấu trúc thành

tế bào vô cùng phức tạp Các loài thuộc hai chi này mọc thành chuỗi dài gồm nhiều tế bào, ở giữa mỗi cặp tế bào có một lớp đệm dày và toàn bộ cấu trúc chuỗi đó lại được bọc kín trong một lớp paracrystallin bề mặt

Thành phần và cấu trúc lipid của màng tế bào là một trong những đặc điểm nổi bật phân biệt cổ khuẩn và hai nhóm còn lại Trong khi ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật cầu nối acid béo-glycerol trong lipid màng tế bào là liên kết este (ester) thì ở cổ khuẩn lại là liên kết ete (ether) (Hình 2) Acid béo trong este-lipid thường là các phân tử ngắn, mạch thẳng Trái lại, acid béo trong ete-lipid là các phân tử mạch dài, phân nhánh, thuộc cả hai dạng phytanyl (C20-cacbuahydro tổng hợp từ isopren)

và biphytanyl (C40) Do chỉ có ở cổ khuẩn và không bị biến đổi dưới nhiệt

độ cao nên isopren-lipid được lấy làm chất chỉ thị của cổ khuẩn hoá thạch

Enzyme polymeraza thực hiện quá trình sao mã trên khuôn ADN (DNA-dependent RNA polymerase) ở

ba lĩnh giới sinh vật cũng có nhiều điểm khác nhau Vi khuẩn chỉ có một loại

Hình 2 Lipid trong màng tế bào

của cổ khuẩn (ete-lipid) khác với

của vi khuẩn và sinh vật nhân thật

(este-lipid)

ARN-polymeraza có cấu trúc không gian đơn giản, gồm bốn chuỗi polypeptid 2a, 1b, 1b’ và một nhân tố s không cố định Cổ khuẩn có nhiều loại ARN-polymeraza, cấu trúc mỗi loại lại phức tạp hơn nhiều so với ARN-polymeraza

vi khuẩn ARN-polymeraza của cổ khuẩn sinh methane và các loài ưa mặn (halophilic) gồm tám chuỗi polypeptid (5 chuỗi dài và 3 chuỗi ngắn) ARN-polymeraza ở cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-thermophilic) lại phức tạp hơn, gồm ít nhất 10 chuỗi peptid Polymeraza thực hiện quá trình tổng hợp ARN thông tin (mARN) ở sinh vật nhân thật gồm 10-12 chuỗi polypeptid có kích thước tương tự như ở ARN-polymeraza của cổ khuẩn ưa nhiệt cao Ngoài ra, sinh vật nhân thật còn có hai loại ARN-polymeraza khác nữa đặc hiệu cho quá trình tổng hợp ARN của ribosom (rARN) và ARN vận chuyển (tARN) Như vậy chất kháng sinh rifampicin có tác dụng ức chế đơn vị b của polymeraza chỉ

có hiệu quả đối với vi khuẩn vì cổ khuẩn và sinh vật nhân thật không có loại polymeraza này

Với những điểm khác biệt trong trình tự 16S rARN cũng như cấu trúc ARN-polymeraza, hiển nhiên bộ máy sinh tổng hợp protein của ba lĩnh giới sinh vật cũng sẽ không đồng nhất Tuy có kích thước của ribosom giống với vi khuẩn (70S) nhưng cổ khuẩn lại có nhiều bước trong quá trình sinh tổng hợp protein rất giống với sinh vật nhân thật (80S ribosom) Nhiều chất kháng sinh

ức chế quá trình sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn lại không có hiệu lực đối với

cổ khuẩn và sinh vật nhân thật (Bảng 2) Ngoài ra, tương tự như ở sinh vật nhân thật, nhân tố kéo dài EF-2 trong ribosom ở cổ khuẩn có phản ứng với độc

tố bạch hầu, một loại độc tố vô hại đối với vi khuẩn Tuy nhiên nhân tố EF-2 ở

cổ khuẩn mang tính đặc hiệu cao, nhân tố này hoàn toàn không hoạt động trong môi trường ribosom của vi khuẩn hoặc sinh vật nhân thật Các thí nghiệm lai ribosom in vitro cho thấy ribosom ghép giữa đơn vị lớn (50S) của cổ khuẩn và đơn vị nhỏ (40S) của sinh vật nhân thật vẫn thức hiện chức năng giải mã một cách bình thường, trong khi đó việc ghép tương tự giữa vi khuẩn và sinh vật nhân thật lại hoàn toàn không tương thích Như vậy cấu trúc bộ máy sinh tổng hợp protein của cổ khuẩn có nhiều điểm tương đồng với sinh vật nhân thật hơn

là với vi khuẩn

Giống như vi khuẩn, cổ khuẩn có một nhiễm sắc thể dạng vòng, tuy nhiên genom của cổ khuẩn thường nhỏ hơn nhiều so với genom của vi khuẩn Chẳng hạn ADN của Escherichia coli là 2,5 x 109 Da, trong khi đó ADN của Thermoplasma acidophilum là 0,8 x 109 Da, hay của Methanobacterium là 1,1

x 109 Da Ngoài ra thành phần GC (mol%) của ADN ở cổ khuẩn dao động trong phạm vi rất lớn, từ 21 đến 68 %, chứng tỏ tính đa dạng của cổ khuẩn So sánh trình tự đầy đủ của genom ở cổ khuẩn Methanococcus jannaschi với genom của vi khuẩn và sinh vật nhân thật cho thấy 56% trong 1738 gen không tương đồng

Bảng 2 Tính mẫn cảm của đại diện ba lĩnh giới sinh vật đối với các chất ức

chế quá trình sinh tổng hợp protein

Chất kháng

sinh

Tác dụng ức chế

Cổ khuẩn Vi

khuẩn

Sinh vật nhân thật

Methano-bacterium

Sulfo-lobus

Escheri-chia coli

Saccharomyces cerevisae Cycloheximid Ức chế bước

khởi đầu

Virginiamycin,

pulvomycin

Ức chế bước

Neomycin,

puromycin

Dừng tổng

Rifamycin Ức chế

enzyme ARN polymeraza

Erythromycin,

streptomycin,

chloramfenicol

Tăng tần số mắc lỗi và một số hiệu ứng khác

Các hình thức dinh dưỡng ở cổ khuẩn

Cổ khuẩn có nhiều hình thức dinh dưỡng: hoá dưỡng hữu cơ (chemoorganotrophy), hoá dưỡng vô cơ (chemolithotrophy), tự dưỡng (autotrophy), hay quang hợp (phototrophy) Hoá dưỡng hữu cơ là hình thức dinh dưỡng của nhiều loài cổ khuẩn, tuy nhiên các chu trình phân giải chất hữu

cơ thường có một số điểm khác biệt so với vi khuẩn Cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) và ưa nhiệt cực đoan (extreme thermophiles) phân giải glucoza theo một dạng cải biên của con đường Entner-Doudoroff (E-D) Nhiều loài cổ khuẩn lại có khả năng sản sinh ra glucoza từ các chất ban đầu không phải là hydratcarbo (gluconeogenesis) thông qua các bước đảo ngược của quá trình glycolysis (con đường Embden-Meyerhof) Oxygen hoá acetat thành CO2

được thực hiện qua chu trình TCA (đôi khi với một số thay đổi trong các bước phản ứng), hoặc qua con đường acetyl-CoA (Ljungdahl-Wood) Các thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử như ở vi khuẩn đều được tìm thấy ở cổ khuẩn, trong đó cytochrom-a, -b và -c có ở các loài ưa mặn cực đại, cytochrom-a có ở một số loài ưa nhiệt cao Mô phỏng dựa trên chuỗi chuyển điện tử ở phần lớn cổ khuẩn cho thấy chúng thu nạp điện tử từ chất cho vào chuỗi ở nấc thang NADH, oxygen hoá chất nhận điện tử cuối cùng là O2, S0 hay một số chất khác, đồng thời tạo ra lực đẩy proton (proton motiv force) để tổng hợp ATP nhờ bộ máy ATPaza khư trú trong màng tế bào Hoá dưỡng vô

cơ khá phổ biến ở cổ khuẩn, trong đó hydro thường được sử dụng làm chất cho điện tử

Tự dưỡng đặc biệt phổ biến ở cổ khuẩn và diễn ra dưới nhiều hình thức khác nhau Ở cổ khuẩn sinh methane và cổ khuẩn hoá dưỡng vô cơ ưa nhiệt cao CO2 được chuyển hoá thành các hợp chất hữu cơ qua con đường acetyl-CoA, trong đó một số loài có cải biên ở các bước phản ứng khác nhau Một số loài cổ khuẩn khác (như Thermoproteus) cố định CO2 theo chu trình citric acid đảo ngược, tương tự như ở vi khuẩn lam lưu huỳnh Mặc dù các loài cổ khuẩn

ưa nhiệt cực đoan đều thực hiện hình thức dinh dưỡng hữu cơ nhưng nhiều loài vẫn có khả năng cố định CO2 và thực hiện quá trình này theo chu trình Calvin, tương tự như ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật

Khả năng quang hợp có ở một số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan, tuy nhiên khác với vi khuẩn, quá trình này được thực hiện hoàn toàn không có sự tham gia của chlorophill hay bacteriochlorophill mà nhờ một loại protein ở màng tế bào là bacteriorhodopsin kết gắn với phân tử tương tự như carotenoid

có khả năng hấp phụ ánh sáng, xúc tác cho quá trình chuyển proton qua màng nguyên sinh chất và sử dụng để tổng hợp ATP Tuy nhiên, bằng hình thức quang hợp này cổ khuẩn ưa mặn cực đoan chỉ có thể sinh trưởng với tốc độ thấp trong điều kiện kỵ khí, khi môi trường thiếu chất dinh dưỡng hữu cơ

Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường

có điều kiện cực đoan (extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá

(psychrophilic), nồng độ muối cao (halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) v.v Đó cũng là một lý do giải thích tại sao cổ khuẩn lại khó được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm Trong giới sinh vật, cổ khuẩn có các đại diện cư trú ở các điều kiện nhiệt độ cao hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều loài có thể sống ở nhiệt độ trên 100 °C dưới áp suất cao như ở các miệng núi lửa dưới đáy đại dương Cơ chế thích nghi của tế bào vi sinh vật với nhiệt độ cao như vậy còn đang được nghiên cứu Ở cổ khuẩn, một số phương thức thích nghi với nhiệt độ cao được biết đến như tác dụng của enzyme gyraza trong việc bảo vệ cấu trúc xoắn của ADN dưới tác động của nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C40-lipid trong màng tế bào của cổ khuẩn, giúp làm tăng đô bền vững của màng Tuy nhiên cổ khuẩn không chỉ sống ở các môi trường cực đoan Ngoài đại dương cổ khuẩn tồn tại với một số lượng lớn Trên đất liền các loài cổ khuẩn sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều môi trường khác nhau, như các bể lên men chất thải hữu cơ, các chân ruộng lúa ngập nước, đường tiêu hoá của động vật v.v

Bảng 3 Nhiệt độ phát triển cao nhất của các đại diện sinh vật trên trái đất

Cá 38 °C

Côn trùng 50

Động vật đơn bào 50

Tảo 56

Nấm 60

Vi khuẩn thường 90

Cổ khuẩn 113 Khả năng thích nghi đối với các điều kiện sống cực đoan của cổ khuẩn là

cơ sở để giả thuyết rằng chúng là những sinh vật sống đầu tiên xuất hiện trên trái đất Trái đất của chúng ta trong thời kỳ đầu có nhiệt độ rất cao, khoảng 100

°C trở lên, chứa nhiều ammon và khí methane trong khí quyển, do vậy những dạng sống đầu tiên phải là các sinh vật yếm khí và ưa nhiệt cao (hyper-thermophiles) Với các đặc điểm sinh lý như tính ưa nhiệt, sống kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ và vô cơ là nguồn năng lượng, các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cao có lẽ phù hợp với dạng sống nguyên thuỷ mô phỏng theo điều kiện của trái đất trong thời kỳ đầu Trong thực tế, chất chỉ thị mạch isoprene-lipid thành phần màng tế bào của cổ khuẩn được tìm thấy trong các lớp trầm tích có tuổi là 3,8 tỷ năm Các nghiên cứu dựa trên trình tự 16S rARN cho thấy cổ khuẩn, đặc biệt là nhóm cổ khuẩn ưa nhiệt cao, tiến hoá chậm hơn đáng kể so với vi khuẩn

và sinh vật nhân thật Tuy nhiên tốc độ tiến hoá chậm của cổ khuẩn so với hai lĩnh giới còn lại có thể do môi trường sống khắc nghiệt của chúng tạo ra Cho đến nay câu hỏi về nguồn gốc sự sống và vai trò của cổ khuẩn trong đó vẫn còn đang tiếp tục được tranh luận