Các nhà khoa học đã phát hiện ra một loại gen cần thiết cho lối sống bất thường của vi khuẩn nhỏ bé sống trên bề mặt của vi khuẩn lớn hơn. Vi khuẩn đồng hành là một nhóm vi sinh vật nhỏ bí ẩn có cách sống khó nắm bắt. Mặc dù các nhà khoa học chỉ có thể nuôi trồng một số loài trong số này nhưng chúng là một phần của một họ đa dạng được tìm thấy ở nhiều môi trường.
Ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy các tế bào Corynebacteria màu tím nhỏ phát triển trên bề mặt của một tế bào lớn hơn nhiều. Nghiên cứu mới do phòng thí nghiệm của Joseph Mougous tại Trung tâm Y tế UW ở Seattle dẫn đầu đã tiết lộ vòng đời, gen và một số cơ chế phân tử đằng sau lối sống bất thường của chúng. Những vi khuẩn biểu sinh này là Southlakia epibionticum. Nguồn hình ảnh: Yaxi Wang, WaiPang Chan và Scott Braswell/Đại học Washington
Một số loài Corynebacteria mà các nhà nghiên cứu có thể phát triển trong phòng thí nghiệm sống trên bề mặt tế bào của một vi khuẩn vật chủ lớn hơn khác. Corynebacteria thường thiếu các gen cần thiết để tạo ra nhiều phân tử cần thiết cho sự sống, chẳng hạn như axit amin tạo nên protein, axit béo tạo thành màng và nucleotide trong DNA. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng nhiều loài động vật không xương sống dựa vào các vi khuẩn khác để phát triển.
Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Cell, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã tiết lộ cơ chế phân tử đằng sau lối sống bất thường của Corynebacteria. Bước đột phá này được thực hiện nhờ việc phát hiện ra các cách để điều khiển di truyền những vi khuẩn này, một tiến bộ mở ra một thế giới các hướng nghiên cứu mới khả thi.
Nitin S. Baliga thuộc Viện Sinh học Hệ thống ở Seattle cho biết: "Mặc dù metagenomics có thể cho chúng ta biết vi khuẩn nào sống trên và trong cơ thể chúng ta, nhưng chỉ riêng trình tự DNA không cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về mức độ hoạt động có lợi hay có hại của chúng, đặc biệt là đối với các sinh vật chưa từng được mô tả đặc điểm trước đây. "
“Khả năng phá vỡ di truyền của Corynebacteria mở ra khả năng áp dụng lăng kính phân tích hệ thống mạnh mẽ để nhanh chóng mô tả đặc điểm sinh học độc đáo của vi khuẩn ngoại vi bắt buộc,” ông nói thêm. PH66
Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi phòng thí nghiệm của Joseph Mougous thuộc Khoa Vi sinh tại Trường Y thuộc Đại học Washington và Viện Y tế Howard Hughes.
Chúng là một trong nhiều vi khuẩn chưa biết có trình tự DNA xuất hiện trong các phân tích di truyền quy mô lớn về bộ gen được phát hiện trong các cộng đồng vi sinh vật giàu loài từ các nguồn môi trường. Vật liệu di truyền này được gọi là “vật chất tối của vi sinh vật” vì rất ít thông tin về chức năng mà nó mã hóa.
Một bài báo trên tạp chí Cell chỉ ra rằng vật chất tối của vi sinh vật có thể chứa thông tin về con đường sinh hóa với những ứng dụng công nghệ sinh học tiềm năng. Nó cũng cung cấp manh mối về các hoạt động phân tử hỗ trợ hệ sinh thái vi sinh vật và sinh học tế bào của các loài vi sinh vật khác nhau tập hợp trong hệ thống này.
Corynebacteria được phân tích trong nghiên cứu mới nhất này thuộc nhóm Saccharibacteria. Chúng sống ở nhiều môi trường trên cạn và dưới nước, nhưng nổi tiếng nhất là sống trong miệng con người. Chúng là một phần của hệ vi sinh vật đường miệng của con người ít nhất là từ thời kỳ đồ đá mới và có liên quan đến sức khỏe răng miệng của con người.
Trong khoang miệng của con người, Saccharibacteria cần sự đồng hành của Actinomycetes, là vật chủ của chúng. Để hiểu rõ hơn về cách nấm men tương tác với vật chủ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thao tác di truyền để xác định tất cả các gen cần thiết cho nấm men phát triển.
Mougous, giáo sư vi sinh học, cho biết: "Chúng tôi rất vui mừng khi có hiểu biết sơ bộ về chức năng của các gen bất thường do những vi khuẩn này mang theo. Bằng cách tập trung vào các gen này trong tương lai, chúng tôi hy vọng sẽ làm sáng tỏ bí ẩn về cách glycobacteria sử dụng vi khuẩn chủ để phát triển."
Các yếu tố có thể tương tác với vật chủ được xác định trong nghiên cứu bao gồm cấu trúc bề mặt tế bào có thể giúp Saccharibacteria bám vào tế bào vật chủ và hệ thống bài tiết chuyên biệt có thể được sử dụng để vận chuyển chất dinh dưỡng.
Một ứng dụng khác trong nghiên cứu của tác giả là tạo ra tế bào nấm men biểu hiện protein huỳnh quang. Bằng cách sử dụng các tế bào này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện hình ảnh vi huỳnh quang tua nhanh thời gian của vi khuẩn Saccharibacteria đang phát triển cùng với vi khuẩn chủ.
S. Brook Peterson, một nhà khoa học cấp cao tại phòng thí nghiệm Moogers, lưu ý: “Hình ảnh tua nhanh thời gian của quá trình nuôi cấy tế bào vật chủ Saccharobacteria cho thấy sự phức tạp đáng ngạc nhiên trong vòng đời của những vi khuẩn bất thường này”.
Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng một số nấm men hoạt động như tế bào mẹ bám vào tế bào chủ và liên tục nảy chồi, tạo ra thế hệ con cháu nhỏ. Những kẻ nhỏ bé này tiếp tục tìm kiếm các tế bào chủ mới. Một số con cái lần lượt trở thành tế bào mẹ, trong khi những con khác dường như tương tác không có ích với vật chủ của chúng.
Các nhà nghiên cứu tin rằng các nghiên cứu thao tác di truyền bổ sung sẽ mở ra cơ hội hiểu biết rộng hơn về vai trò của cái mà họ mô tả là "kho chứa vật chất tối vi khuẩn phong phú được các sinh vật này chứa chấp" và có khả năng khám phá các cơ chế sinh học chưa được hình dung.