Những loài khuẩn có khả năng “siêu phàm”

Ngày đăng:14-02-2019 (1400 lượt xem )

Phải nói ngay rằng đây là những loài vi khuẩn sở hữu những khả năng đặc biệt ngoài những gì vốn có, kể cả lợi lẫn hại cho chính loài khuẩn, cho môi trường và cho con người chúng ta.

Tổng quan về vi khuẩn

Theo Bách khoa thư mở, vi khuẩn (bacteria) đôi khi còn được gọi là vi trùng, là vi sinh vật nhân sơ đơn bào có kích thước nhỏ dạng hiển vi, thường từ 0,5-5,0 μm, thậm chí có loài đường kính đến 0,3mm (Thiomargarita). Cấu trúc tế bào của khuẩn thuộc dạng đơn giản không nhân, bộ khung tế bào (cytoskeleton) và các bào quan như ty thể và lục lạp. Vi khuẩn hiện diện khắp nơi như trong đất, trong nước, chất thải phóng xạ....và ở dạng cộng sinh và ký sinh với các sinh vật khác, có mặt cả trên tàu không gian có người lái.

Ước tính có khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn trong một gram đất và hàng triệu tế bào trong một mm nước ngọt. Trên Trái Đất ước tính có khoảng 5×1030 vi khuẩn, tạo thành một lượng sinh khối vượt hơn tất cả động vật và thực vật. Nhiều tác nhân gây bệnh là vi khuẩn nhưng chúng cũng có vai trò quan trọng trong tái chế chất dinh dưỡng như cố định nitơ từ khí quyển và gây thối rữa sinh vật khác. Trong vùng dinh dưỡng quanh cách mạch nhiệt dịch và lỗ phun lạnh, vi khuẩn cung cấp những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống bằng cách biến đổi các hợp chất hòa tan như hydro sulfua và metan thành năng lượng.

Ảnh 1: Ước tính có khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn trong một gram đất

Tổ tiên của vi khuẩn hiện đại là các sinh vật đơn bào, đó là các dạng sống xuất hiện đầu tiên trên Trái Đất cách nay 4 tỉ năm. Trong vòng 3 tỉ năm, tất cả các sinh vật là các vi sinh vật, và vi khuẩn và vi khuẩn cổ là các dạng sống chủ yếu trên Trái Đất.  Vi khuẩn đầu tiên được quan sát bởi Antony van Leeuwenhoek năm 1683 bằng kính hiển vi một tròng do ông tự thiết kế. Thuật ngữ vi khuẩn được đề xuất bởi Christian Gottfried Ehrenberg vào năm 1828. Từ đây, khoa học còn phát hiện thấy vai trò của vi khuẩn là các thể mang và gây ra bệnh hay tác nhân gây bệnh. Vi khuẩn là loài sinh sản vô tính bằng cách chia đôi, hay trực phân. Trong quá trình này, một tế bào mẹ được phân thành 2 tế bào con bằng cách tạo vách ngăn đôi tế bào mẹ.

 

Những loài khuẩn có khả năng “siêu phàm” 

* Khuẩn Staphylococcus Epidermidis: Chiến binh chống ung thư

Ung thư là căn bệnh gây tử vong đứng hàng thứ hai trên thế giới. Năm 2018, gần 10 triệu người chết vì ung thư và dự kiến con số này ​​sẽ tăng lên 23,6 triệu vào năm 2030 nếu con người chưa tìm được thuốc đặc trị. Vào tháng 2 năm 2018, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Đại học California (UoC) đã phát hiện thấy vi khuẩn Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) có trên da người khỏe mạnh có khả năng chống ung thư. Sau khi phân tích cẩn thận, nhóm chuyên gia ở UoC phát hiện thấy S. epidermidis  tạo ra một hợp chất hóa học tương tự như một thành phần DNA. Khi thử nghiệm hóa chất này (được gọi là 6-HAP) trong phòng thí nghiệm cho thấy nó làm ngừng sản xuất DNA. Nói cụ thể hơn, hóa chất này có thể ngăn chặn các tế bào ung thư sinh sôi nảy nở thêm lên.

Ảnh 2: Khuẩn S. epidermidis, công cụ chống ung thư mới trong tương lai

Tuy nhiên, 6-HAP không có tác dụng đối với các tế bào bình thường, vì một số enzyme của chúng đã vô hiệu hóa hóa chất này. Để kiểm chứng các nhà khoa học đã tiêm 6-HAP vào một nhóm chuột, so sánh với nhóm khác không được tiêm 6-HAP. Những con chuột này sau đó cho tiếp xúc với bức xạ UV liều cao. Kết quả, mặc dù tất cả những con chuột đều bị ung thư, nhưng khối u của những con chuột được tiêm 6-HAP nhỏ hơn 60% so với những con chuột không được tiêm 6-HAP. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm lại, lần này chỉ cho nhiễm khuẩn S. epidermidis ở trên lưng chuột thay vì tiêm vào cơ thể. Ngay cả bằng cách này, những con chuột được phủ vi khuẩn S. epidermidis thì sau khi tiếp xúc phóng xạ, những con chuột được phủ S. epidermidis  trên lưng chỉ phát triển duy nhất 1 khối u so với 6 khối u ở những con chuột không được bôi S. epidermidis. Mặc dù cần thêm nhiều nghiên cứu, nhưng các nhà khoa học tin rằng S. epidermidis trong tương lai sẽ trở thành một ứng viên sáng giá ngăn ngừa nhiều bệnh ung thư khác ngoài ung thư da.

* Khuẩn Klebsiella Planticola tăng cường: Kẻ hủy diệt thế giới

Siêu năng lực của vi khuẩn này tạo cho nó một sức mạnh “vô đối”, có thể xóa sạch mọi sự sống thực vật trên Trái đất, vì vậy Klebsiella planticola (K. planticola) được mệnh danh là kẻ hủy diệt. Klebsiella có mặt trong rễ của hầu hết các loài thực vật trên Trái đất, các sinh vật này chịu trách nhiệm phân hủy thực vật chết, do đó làm sạch đất, chất thải hữu cơ. Các nhà khoa học đã lấy một mẫu vi khuẩn K. planticola và biến đổi chúng để lợi dụng cách phân hủy thực vật, để chúng sản xuất đồng thời phân bón và ethanol cùng một lúc.

 Nhóm khuẩn thuộc loại này có khả năng ứng dụng trong nông và công nghiệp, vì vậy vào đầu những năm 90 ở thế kỷ trước, kế hoạch sử dụng khuẩn K. planticola cho nông nghiệp đã được đề xuất. Tuy nhiên, để kiểm tra hiệu quả của nó, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Oregon Mỹ đã thực hiện một nghiên cứu mẫu đất màu mỡ có thể gieo trồng được quy mô phòng thí nghiệm. Mẫu đất chứa đầy khuẩn  K. planticola nguyên gốc, và một mẫu khác chứa khuẩn đã được biến đổi. Kết quả, mặc dù hạt nảy mầm trong cả hai mẫu, nhưng trong mẫu đất có chứa khuẩn K. planticola tăng cường thì cây trồng  đã chết sau một tuần nảy mầm.

Ảnh 3: khuẩn K. planticola - “sát thủ người Viking”

K. planticola tăng cường đã tạo ra lượng cồn trong đất cao gấp 17 lần so với mức mà cây trồng có thể chịu đựng được. Ngoài ra, thực vật sử dụng nấm để nuôi dưỡng chất dinh dưỡng trong đất, nhưng vi khuẩn sản xuất ethanol lại làm tăng sự hiện diện của giun ăn những loại nấm đó. Vì vậy, thực vật không chỉ chết vì ngộ độc mà còn bị chết đói. Do đặc điểm bất lợi này, người ta đã xác nhận khuẩn K. planticola biến đổi có thể tồn tại trong đất trong một thời gian dài, không giống như các vi khuẩn biến đổi khác. Với đặc tính này, khoa học gọi khuẩn K. planticola là “sát thủ người Viking”, và không thể trở thành sản phẩm thương mại hóa được. Tuy vẫn đang tranh luận, thậm chí đã được sử dụng trên quy mô cánh đồng, nhưng nếu khuẩn K. planticola được “nhân bản” và sử dụng đại trà thì sớm muộn sẽ trở thành kẻ hủy diệt trên quy mô lục địa.

* Escherichia Coli tăng cường: Máy tính sống trong tương lai

Con người luôn luôn cố gắng tìm mọi cách để lưu trữ thông tin theo phương châm càng nhiều, càng lâu càng tốt. Điều này được thể hiện qua nhiều thiên niên kỷ trước. Bằng chứng, con người đã để lại những bức tranh bên trong hang động. Tiếp tục là sách và máy tính, và gần đây, kim cương được xem là thiết bị lưu trữ dữ liệu tuyệt vời nhất, nay khoa học còn tìm thêm một phương pháp mới, dùng vi khuẩn để lưu giữ thông tin.

Đúng vậy, một số vi khuẩn có thể vận chuyển văn bản, video và hình ảnh trong cơ thể chúng, tựu biến thành máy tính sống di động. Điều đó có thể đạt được khi vi khuẩn tiêu diệt virus kẻ thù, và các phần nhỏ DNA của virus bên trong cơ thể chúng. Theo cách này, vi khuẩn học cách nhận ra các mối đe dọa tương tự trong tương lai. Tận dụng cơ chế trên, nhóm chuyên gia ở Đại học Harvard (HU) đã nuôi dưỡng thành công một quần thể 600.000 vi khuẩn Escherichia coli (E. coli). Sau đó, mã hóa một hình ảnh bàn tay con người và một đoạn video ngắn về một con ngựa đang phi nước đại thành một chuỗi DNA. Kết quả, sau khi sốc điện E. coli, thì lập tức cơ chế phòng vệ của chúng được kích hoạt và giúp chúng hấp thụ DNA nhân tạo.

Để kiểm tra xem phương pháp này có hiệu quả hay không, các nhà khoa học đã giải mã trật tự gen mới của mỗi loại vi khuẩn này. Sau đó cho chạy trật tự gen trên một chương trình máy tính để đọc và biến nó thành hình ảnh. Thật đáng kinh ngạc, các hình ảnh thu được thực tế giống như các tệp gốc, chỉ có một vài pixel là khác biệt. Mặc dù kỹ thuật này nghe qua có vẻ phức tạp, nhưng nhờ công nghệ giải mã gen hiện tại nó có thể giúp thực hiện quy trình nói trên dễ dàng hơn.

Ảnh 4: Một gram DNA của vi khuẩn có thể chứa được 455 exabyte dữ liệu

Và đây không phải là lần đầu tiên khuẩn E. coli được thử nghiệm để lưu giữ thông tin mà ngay từ năm 2003, các nhà khoa học Mỹ đã đưa DNA có viết lời bài hát vào bên trong cơ thể khuẩn E. coli. Và đến năm 2011, nhà văn người Canada Christian Bok đã chèn một bài thơ vào DNA của một E. coli duy nhất, sau đó nó phát sáng, giúp nhờ thơ này viết một bài thơ mới vào đó. Nếu bạn chưa tin khả năng tiềm năng tàng của vi khuẩn thì xin thưa, một gram DNA của vi khuẩn có thể chứa được 455 exabyte dữ liệu (tương đương 455 tỷ gigabyte), khoảng một phần tư tất cả thông tin của loài người. Điều này cho thấy, khả năng lưu giữ thông tin của vi khuẩn không hề nhỏ. Hy vọng, tương lai không xa, con người có thể sử dụng các quần thể E. coli biến đổi để làm máy tính cá nhân, tăng khả nhớ gấp nhiều lần so với công xuất vốn có.

Khắc Nam

Các tin tức khác:

DANH MỤC
Liên hiệp hội đón nhận Huân chương Lao động hạng Ba
Slide
Ban Chấp hành khóa IV ra mắt Đại hội
Slide
GS. TSKH Đặng Vũ Minh - Chủ tịch Liên hiệp hội Việt Nam phát biểu chỉ đạo Đại hội
Slide
Chủ tịch UBND tỉnh tặng bằng khen cho các cá nhân tiêu biểu
Slide
LIÊN KẾT WEBSITE
Thống kê truy cập
  Số người online:  35
  Hôm nay:  811
  Tháng này:  11656
  Tổng số truy cập:  739860