Vi khuẩn có khả năng thích nghi đáng kinh ngạc, phát triển mạnh ở một số nơi khắc nghiệt nhất trên Trái đất, từ suối nước nóng sôi sục đến vùng đóng băng sâu dưới 0 độ C. Hang băng là một trong những môi trường sống khắc nghiệt như vậy, là nơi sinh sống của nhiều loại vi sinh vật mà các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu tìm hiểu. Những môi trường đóng băng này có thể chứa một lượng lớn vật chất di truyền mà phần lớn vẫn chưa được khám phá.

Tại Romania, các nhà nghiên cứu gần đây đã tìm thấy một chủng vi khuẩn bị mắc kẹt trong lớp băng 5.000 năm tuổi bên trong một hang động dưới lòng đất. Bằng cách phân tích đặc điểm kháng kháng sinh của nó, họ phát hiện ra rằng vi sinh vật cổ đại này có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách thức kháng kháng sinh phát triển và lây lan trong tự nhiên. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Frontiers in Microbiology.

"Chủng vi khuẩn Psychrobacter SC65A.3 được phân lập từ hang băng Scarisoara, mặc dù có nguồn gốc cổ xưa, nhưng lại cho thấy khả năng kháng nhiều loại kháng sinh hiện đại và mang hơn 100 gen liên quan đến kháng thuốc", tác giả, Tiến sĩ Cristina Purcarea, nhà khoa học cấp cao tại Viện Sinh học Bucharest thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Romania, cho biết. "Nhưng nó cũng có thể ức chế sự phát triển của một số 'siêu vi khuẩn' kháng kháng sinh chính và thể hiện các hoạt tính enzym quan trọng với tiềm năng công nghệ sinh học đáng kể".

Cơ chế kháng thuốc hiện đại của vi sinh vật cổ đại

Vi khuẩn Psychrobacter SC65A.3 thuộc nhóm vi khuẩn thích nghi với môi trường lạnh, được gọi là Psychrobacter . Mặc dù một số thành viên của chi này có thể gây nhiễm trùng ở người hoặc động vật, chúng cũng được coi là có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ sinh học. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn chưa biết nhiều về cách các vi khuẩn này phản ứng với thuốc kháng sinh. "Nghiên cứu các vi sinh vật như Psychrobacter SC65A.3 được tìm thấy trong các trầm tích băng hang động hàng nghìn năm tuổi cho thấy sự tiến hóa tự nhiên của khả năng kháng thuốc kháng sinh trong môi trường, từ rất lâu trước khi thuốc kháng sinh hiện đại được sử dụng", Purcarea giải thích.

Để thu thập sinh vật này, nhóm nghiên cứu đã khoan một lõi băng sâu 25 mét từ một phần của hang động được gọi là Đại Sảnh, thu được một mẫu băng lưu giữ dữ liệu kéo dài 13.000 năm. Để ngăn ngừa ô nhiễm, các mẫu băng được niêm phong trong túi vô trùng và vận chuyển trong điều kiện đông lạnh trở lại phòng thí nghiệm. Tại đó, các nhà khoa học đã phân lập các chủng vi khuẩn và giải trình tự bộ gen của chúng để xác định các gen chịu trách nhiệm cho sự sống sót trong điều kiện cực lạnh, cũng như các gen liên quan đến khả năng kháng khuẩn và hoạt động của vi khuẩn.

Các nhà nghiên cứu sau đó đã thử nghiệm SC65A.3 với 28 loại kháng sinh thuộc 10 nhóm khác nhau. Những loại thuốc này thường được kê đơn hoặc dành riêng cho các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn nghiêm trọng. Một số loại đã được xác định có liên quan đến các gen hoặc đột biến kháng thuốc, cho phép nhóm nghiên cứu so sánh các cơ chế kháng thuốc dự đoán với kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. "10 loại kháng sinh mà chúng tôi phát hiện có khả năng kháng thuốc được sử dụng rộng rãi trong các liệu pháp uống và tiêm để điều trị nhiều loại nhiễm trùng do vi khuẩn nghiêm trọng trong thực tiễn lâm sàng", Purcarea lưu ý. Trong số đó có rifampicin, vancomycin và ciprofloxacin, các loại thuốc được sử dụng để điều trị các bệnh như lao, viêm đại tràng và nhiễm trùng đường tiết niệu.

SC65A.3 là chủng Psychrobacter đầu tiên được phát hiện có khả năng kháng một số loại kháng sinh nhất định, bao gồm trimethoprim, clindamycin và metronidazole. Những loại thuốc này thường được sử dụng để điều trị nhiễm trùng đường tiết niệu và các bệnh nhiễm trùng ảnh hưởng đến phổi, da, máu và hệ sinh sản. Hồ sơ kháng thuốc của chủng này cho thấy rằng vi khuẩn thích nghi với môi trường lạnh có thể đóng vai trò là kho chứa các gen kháng thuốc, là những đoạn DNA cho phép chúng tồn tại khi tiếp xúc với kháng sinh.

Băng tan và sự lan truyền của các gen kháng thuốc

Phát hiện này mang lại cả những rủi ro tiềm tàng và cơ hội. "Nếu băng tan giải phóng những vi sinh vật này, các gen này có thể lây lan sang các vi khuẩn hiện đại, làm trầm trọng thêm thách thức toàn cầu về kháng thuốc kháng sinh", Purcarea nói. "Mặt khác, chúng tạo ra các enzyme và hợp chất kháng khuẩn độc đáo, có thể truyền cảm hứng cho các loại thuốc kháng sinh mới, enzyme công nghiệp và các đổi mới công nghệ sinh học khác."

Phân tích di truyền của vi khuẩn Psychrobacter SC65A.3 đã phát hiện gần 600 gen có chức năng chưa được biết đến, cho thấy đây là một nguồn tài nguyên chưa được khai thác rộng rãi để khám phá các quá trình sinh học mới. Nhóm nghiên cứu cũng xác định được 11 gen có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế vi khuẩn, nấm và thậm chí cả virus.

Trong bối cảnh tình trạng kháng kháng sinh ngày càng gia tăng trên toàn thế giới, những hiểu biết từ các vi sinh vật cổ đại ngày càng trở nên quý giá. Nghiên cứu bộ gen được bảo quản trong băng giúp các nhà khoa học theo dõi sự xuất hiện và lây lan của tình trạng kháng thuốc từ rất lâu trước khi y học hiện đại ra đời. "Những vi khuẩn cổ đại này rất cần thiết cho khoa học và y học," Purcarea kết luận, "nhưng việc xử lý cẩn thận và các biện pháp an toàn trong phòng thí nghiệm là điều cần thiết để giảm thiểu nguy cơ lây lan không kiểm soát".