Các nhà khoa học đã khám phá ra những chi tiết mới về cách vi khuẩn chia sẻ gen, bao gồm cả những gen thúc đẩy tình trạng kháng kháng sinh (AMR), một mối đe dọa sức khỏe toàn cầu ngày càng gia tăng. Phát hiện này đến từ các nhà nghiên cứu tại Trung tâm John Innes, những người đã nghiên cứu các hạt bất thường được gọi là tác nhân chuyển gen (GTAs).

GTA có hình dạng giống với thể thực khuẩn (virus lây nhiễm vi khuẩn), nhưng chúng không còn là những kẻ xâm lược nguy hiểm nữa. Thay vào đó, chúng có nguồn gốc từ các virus cổ đại mà vi khuẩn đã thích nghi và kiểm soát được.

Những hạt này hoạt động như những phương tiện vận chuyển nhỏ. Chúng thu thập các đoạn DNA từ một tế bào vi khuẩn và mang chúng đến các tế bào khác gần đó. Quá trình này, được gọi là chuyển gen ngang, cho phép vi khuẩn nhanh chóng chia sẻ các đặc điểm hữu ích, bao gồm cả các gen giúp chúng sống sót sau khi điều trị bằng kháng sinh.

Một bước quan trọng trong quá trình này là sự phân giải tế bào chủ, tức là phá vỡ tế bào vi khuẩn để các hạt GTA có thể được giải phóng. Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ cách các hạt này thoát ra khỏi tế bào chủ của chúng.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Microbiology , nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sàng lọc dựa trên giải trình tự sâu để xác định chính xác các gen liên quan đến hoạt động GTA trong vi khuẩn mẫu Caulobacter crescentus .

Họ đã xác định một hệ thống ba gen gọi là LypABC, hệ thống này sản sinh ra các protein vi khuẩn. Khi các gen lypABC bị loại bỏ, các tế bào không còn khả năng tự vỡ để giải phóng các hạt GTA. Khi hệ thống này bị hoạt hóa quá mức, nhiều tế bào bị phân giải. Những kết quả này cho thấy LypABC hoạt động như một trung tâm điều khiển quan trọng cho quá trình này.

Một trong những phát hiện đáng ngạc nhiên nhất là LypABC có cấu trúc rất giống với hệ thống miễn dịch chống phage của vi khuẩn. Nó chứa các thành phần protein thường liên quan đến khả năng phòng vệ chống lại virus. Tuy nhiên, trong trường hợp này, hệ thống dường như đã được tái sử dụng để giúp giải phóng các hạt GTA và thúc đẩy quá trình chuyển gen.

Công trình nghiên cứu này, được thực hiện với sự hợp tác của Đại học York và Viện Rowland tại Harvard, nhấn mạnh cách vi khuẩn có thể tái sử dụng các hệ thống sinh học hiện có theo những cách không ngờ tới.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra một loại protein điều hòa giúp kiểm soát chặt chẽ hoạt động của GTA. Sự điều hòa này rất quan trọng vì việc kích hoạt LypABC không đúng cách có thể gây độc hại cao cho tế bào vi khuẩn.

Bằng cách hé lộ tính linh hoạt của hệ thống vi khuẩn, nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cách gen di chuyển giữa các tế bào. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong sự lan truyền tình trạng kháng kháng sinh.

Tiến sĩ Emma Banks, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu được Ủy ban Hoàng gia Triển lãm năm 1851 tài trợ, cho biết: "Điều đặc biệt thú vị là LypABC trông giống như một hệ thống miễn dịch, nhưng vi khuẩn lại sử dụng nó để giải phóng các hạt GTA. Điều này cho thấy rằng hệ thống miễn dịch có thể được tái sử dụng để giúp vi khuẩn chia sẻ DNA với nhau - một quá trình có thể góp phần vào sự lan rộng của tình trạng kháng kháng sinh."

Bước tiếp theo là tìm hiểu cách hệ thống LypABC được kích hoạt và cách nó kiểm soát sự phá vỡ tế bào vi khuẩn để giải phóng các hạt GTA.

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ những khía cạnh quan trọng mới về các mối quan hệ cộng sinh cho phép vi khuẩn trao đổi gen, bao gồm cả những gen liên quan đến kháng thuốc kháng sinh (AMR).

Nghiên cứu này giúp mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về mối đe dọa sức khỏe toàn cầu nghiêm trọng do kháng thuốc kháng sinh (AMR), xuất hiện khi các nhà nghiên cứu của Trung tâm John Innes điều tra hiện tượng kỳ lạ của các tác nhân chuyển gen (GTAs).

Những hạt mang gen này trông giống như thể thực khuẩn (virus lây nhiễm vi khuẩn), nhưng chúng đã được thuần hóa từ các virus cổ đại và được sử dụng có lợi dưới sự kiểm soát của tế bào chủ vi khuẩn.

Hoạt động như những người vận chuyển, chúng tiếp nhận các gói DNA của vi khuẩn chủ và chuyển chúng đến các vi khuẩn lân cận. Sự chia sẻ này được gọi là chuyển gen ngang, có thể nhanh chóng lan truyền các đặc điểm hữu ích, bao gồm cả các gen mang lại khả năng kháng thuốc kháng sinh dùng để điều trị nhiễm trùng.

Một giai đoạn quan trọng trong vòng đời của GTA là sự phân giải tế bào chủ: sự phá vỡ tế bào chủ để giải phóng các hạt GTA chứa đầy DNA. Trước đây, người ta chưa rõ làm thế nào các hạt GTA thoát ra khỏi tế bào vi khuẩn chủ.

Trong nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Microbiology, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sàng lọc dựa trên giải trình tự sâu để xác định các gen quan trọng cho chức năng GTA trong vi khuẩn mẫu Caulobacter crescentus.

Điều này đã xác định được một trung tâm điều khiển gồm ba gen, LypABC, mã hóa các protein vi khuẩn. Khi các gen lypABC này bị xóa, vi khuẩn không còn khả năng phân giải để giải phóng các hạt GTA. Ngược lại, bằng cách biểu hiện quá mức trung tâm lypABC, chúng thu được tỷ lệ tế bào phân giải rất cao. Tóm lại, các thí nghiệm này đã xác định LypABC là cơ chế điều khiển quá trình phân giải tế bào do GTA gây ra.

Điều đáng ngạc nhiên là LypABC giống với hệ thống miễn dịch chống phage của vi khuẩn vì nó chứa các miền protein thường cần thiết để phòng vệ chống lại virus. Tuy nhiên, nỗ lực hợp tác giữa Trung tâm John Innes, Đại học York và Viện Rowland tại Harvard cho thấy nó đã được tái sử dụng để giải phóng các hạt GTA cho việc chuyển gen.

Họ cũng xác định được một protein điều hòa cần thiết để kiểm soát chặt chẽ cả quá trình hoạt hóa GTA và quá trình phân giải do GTA gây ra. Đây là sự kiểm soát rất quan trọng vì sự rối loạn điều hòa của LypABC có thể gây độc hại cao cho tế bào vi khuẩn.

Bằng cách làm nổi bật tính linh hoạt của các nhóm vi khuẩn, nghiên cứu đã thúc đẩy kiến ​​thức cơ bản về cách thức chuyển gen diễn ra giữa các tế bào vi khuẩn và cung cấp manh mối quan trọng để hiểu cách thức hình thành tình trạng kháng kháng sinh.

Bước tiếp theo trong nghiên cứu là tìm hiểu cách trung tâm điều khiển LypABC được kích hoạt và hoạt động như thế nào để kiểm soát sự phá vỡ tế bào vi khuẩn và giải phóng các hạt GTA.