Kháng sinh có thể diệt vi khuẩn, nhưng cũng có thể trở thành bữa ăn của chúng

Vi khuẩn có rất nhiều cách chống lại thuốc kháng sinh, thứ mà con người dùng để giết chúng. Một số có khả năng bơm thuốc ra khỏi cơ thể. Số khác ngụy trang các bộ phận dễ bị tổn thương của chúng bằng một lớp phủ bảo vệ. Một số vi khuẩn thậm chí còn ăn kháng sinh, biến những loại thuốc chúng ta dùng để đầu độc chúng thành một bữa tiệc buffet với nhau.

Mặc dù đó là một cơn ác mộng, các nhà khoa học nảy ra ý tưởng lợi dụng những con vi khuẩn ăn kháng sinh để dọn sạch dư lượng thuốc mà con người thải ra môi trường.

Chúng ta dùng kháng sinh diệt vi khuẩn, nhưng chúng lại coi đó là bữa ăn

Các chất kháng sinh đầu tiên được tìm thấy từ sinh vật sống trong đất. Chúng ta biết vi khuẩn và nấm mốc liên tục tranh giành không gian sống có thức ăn để tồn tại. Vì vậy, một số loài nấm mốc đã tiến hóa để tiết ra các hóa chất nhằm giết bớt vi khuẩn xung quanh mình.

Năm 1928, Alexander Fleming là người đầu tiên phát hiện ra một trong những phân tử này, ông gọi nó là kháng sinh penicillin.

Nhưng trong một thế giới đầy rẫy sự cạnh tranh, những con vi khuẩn cũng biết mình phải tiến hóa nếu muốn tồn tại. Vậy là một số vi khuẩn bắt đầu học được cách phòng thủ để chống lại kháng sinh. Chúng không chỉ phân giải được các độc chất từng giết chết mình, một số loài còn ăn được kháng sinh và biến nó thành nguồn nhiên liệu để tồn tại.

Khoa học chưa thực sự hiểu bằng cách nào mà những con vi khuẩn có thể làm được điều này. Nhà vi sinh vật học Daria Van Tyne tại Đại học Harvard cho biết, đó vẫn là một bí ẩn

Săn tìm những con vi khuẩn ăn kháng sinh

Tại Đại học Washington, Gautam Dantas và các cộng sự đang muốn tìm hiểu xem những con vi khuẩn chống lại kháng sinh bằng cách nào. Bởi vậy, họ đã sưu tập những chủng vi khuẩn sống trong đất từ nhiều nơi trên khắp nước Mỹ.

“Bố và mẹ vợ tôi sống ở Minnesota. Họ đã gửi cho chúng tôi một ít đất”, ông nói. "Chúng tôi cũng có một số mẫu đất ở Pennsylvania và tranh thủ thu thập một số mẫu khác khi leo núi ở Massachusetts".

Sau khi có được một tập hợp các mẫu đất, Dantas đặt chúng vào những đĩa petri – loại đĩa nông được dùng để nuôi vi khuẩn. Thông thường, các nhà khoa học khác sẽ cho những con vi khuẩn của mình ăn đường hoặc axit amin (các tiểu khối xây dựng lên protein).

Nhưng Dantas thì không, ông thả vào tất cả những đĩa petri một thứ duy nhất: penicillin. Những con vi khuẩn có hai lựa chọn: hoặc là ăn độc chất vào cơ thể mình hoặc là chết đói. Vậy là một số vi khuẩn buộc phải ăn và tìm cách tiêu hóa penicillin.

Các nhà khoa học phân lập những con vi khuẩn này ra khỏi xác của những vi khuẩn đã chết khác, rồi tiếp tục nuôi chúng bằng một liều penicillin cao hơn.

Nấm mốc trên quả cam bên trái tiết ra kháng sinh, nhưng vi khuẩn có thể ăn được chúng

Mặc dù một số vi khuẩn có thể ăn kháng sinh để sống, nhưng chúng không thích điều đó lắm. Penicillin không phải món khoái khẩu của vi khuẩn. Khi chỉ ăn kháng sinh, những con vi khuẩn đều chậm lớn và “suy dinh dưỡng”. Chúng chỉ lớn bằng một nửa đến một phần ba kích thước bình thường.

Bằng cách ép những con vi khuẩn ăn penicillin, Dantas và nhóm của ông đã tìm được 4 chủng có thể ăn kháng sinh để tồn tại. Tiếp đó, họ đã phân tích gen của những con vi khuẩn này, xem xét những hóa chất mà chúng tạo ra. Cuối cùng, Dantas đã tìm ra được những gen chỉ dẫn giúp cho vi khuẩn có thể cắt và ăn phân tử penicillin.

Làm thế nào để ăn một con sư tử ... hoặc một phân tử kháng sinh?

Penicillin thuộc nhóm kháng sinh được gọi là beta-lactam. Tên gọi xuất phát từ cấu trúc hóa học ở giữa phân tử của nó, được gọi là vòng beta-lactam. Vòng này có ba nguyên tử carbon và một nguyên tử nitơ. Phần còn lại của kháng sinh treo xung quanh vòng này theo mọi hướng.

Vòng beta-lactam là phần nguy hiểm nhất của kháng sinh đối với vi khuẩn. Vòng này cho phép kháng sinh đâm xuyên và phá vỡ thành tế bào của chúng. Tế bào chất và các bào quan sẽ rò rỉ qua thành tế bào dẫn đến cái chết của vi khuẩn.

Để có thể biến một độc chất thành thức ăn, vi khuẩn cần làm ba bước chính. Đầu tiên, nó phải đập vỡ được vòng beta-lactam penicillin. Những con vi khuẩn làm được điều này nhờ một enzyme, loại phân tử xúc tác làm tăng tốc phản ứng hóa học.

Enzyme này được gọi là beta-lactamase, nó sẽ khiến vòng beta-lactam đang kín trở thành hở. Bây giờ kháng sinh không còn có thể thực hiện công việc của mình nữa.

Phần màu đỏ chính là vòng beta-lactam, vũ khí để kháng sinh chống lai vi khuẩn

Sau khi vô hiệu hóa được chức năng của kháng sinh, vi khuẩn tìm cách ăn nó. Vấn đề là ngay cả khi vòng beta-lactam đã vỡ, phân tử kháng sinh vẫn quá lớn để vi khuẩn có thể nuốt được. Nó phải tìm cách cắt penicillin ra thành những mảnh nhỏ hơn.

"Cứ cho rằng bạn muốn cắt một con sư tử ra làm đôi", Dantas nói. Nếu bạn cắt nó ở giữa, giữa hai chân trước và sau, bạn sẽ nhận được hai nửa. "Nhưng chúng không phải là hai nửa giống hệt nhau", ông lưu ý. "Bạn đã có một nửa trước và một nửa sau. Điều này cho bạn hai lựa chọn: Bạn có thể ăn phần đầu hoặc phần đuôi”.

Đối với một chủng vi khuẩn cố gắng cắt một phân tử kháng sinh (thay vì một con sư tử), nó sẽ sử dụng một loại enzyme gọi là amidase. Amidase tách phân tử penicillin thành hai nửa, cũng là một nửa trước và một nửa sau.

Cuối cùng, vi khuẩn chọn ăn phần đuôi của kháng sinh. Dantas và nhóm của ông đã xác định một nhóm 15 enzyme mà vi khuẩn dùng để nhai phần sau của phân tử penicillin, biến nó thành nhiên liệu mà tế bào có thể sử dụng. "Chúng thực sự thích ăn phần đuôi của con sư tử", Dantas nói.

Để chứng minh những điều này thực sự làm cho vi khuẩn có thể biến kháng sinh thành thức ăn, Dantas và nhóm nghiên cứu đã cấy gen tạo ra các enzyme thiết yếu kể trên và gắn chúng vào một loại vi khuẩn khác.

Họ sử dụng E. coli, một loại vi khuẩn phổ biến thường chết khi phải đối mặt với một liều kháng sinh mạnh. Nhưng sau khi được gắn cho các gen mới, E. coli đã thực sự ăn được penicillin.

Dantas và các cộng sự đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Nature Chemical Biology.

Nhìn vào cơ hội

Vi khuẩn có thể biến kháng sinh thành một bữa tiệc, đó là một cơn ác mộng đối với nhiều người. Nhưng Dantas lại nhìn thấy ở đó một cơ hội thực sự.

"Một vấn đề với thuốc kháng sinh là chúng ta đang có xu hướng lạm dụng chúng", ông lưu ý. Càng sử dụng nhiều kháng sinh, chúng ta càng thải ra môi trường nhiều chất thải kháng sinh.

Dư lượng kháng sinh có ngay trong nước tiểu của người bệnh, chúng chảy sẽ vào cống rãnh, đi ra sông suối. Các loài động vật như bò hoặc vật nuôi khác các vật nuôi khác từng được điều trị bằng kháng sinh cũng có thể để lại dư lượng kháng sinh vào môi trường.

Trước thực trạng này, chúng ta cần tìm cách để trung hòa những loại thuốc đó, Dantas giải thích. Các vi khuẩn ăn kháng sinh có thể trở thành một giải pháp khả thi.

Vi khuẩn kháng kháng sinh có thể trở thành một giải pháp làm sạch môi trường, nhưng nó cũng có rất nhiều rủi ro

“Thật thú vị mỗi khi nghĩ đến việc sử dụng những vi khuẩn này để làm giảm dư lượng kháng sinh mà con người thải vào môi trường”, Van Tyne nói. Nhưng cô cảnh báo, các nhà khoa học sẽ phải rất cẩn thận. Vi khuẩn thích trao đổi gen với nhau.

Đưa một loại vi khuẩn biến đổi gen để ăn được kháng sinh vào môi trường có thể dẫn đến một thảm họa. Tại sao lại vậy? Một số vi khuẩn nguy hiểm có thể ăn cắp các gen cần thiết, giúp chúng học được cách ăn các loại kháng sinh chúng ta dùng để tiêu diệt chúng.

Dantas đồng ý rằng điều quan trọng nhất là ông phải cẩn thận. Một hướng nghiên cứu an toàn hơn là chỉ sử dụng các enzyme phân giải kháng sinh, thay vì đưa chúng vào vi khuẩn. Việc tìm ra một phương pháp hay một thứ gì đó có thể giải quyết dư lượng kháng sinh trong môi trường có rất nhiều tiềm năng. Nhưng cũng có những rủi ro để cân nhắc, xem liệu chúng ta có nên làm điều đó hay không, Dantas nói.

Tham khảo Sciencenewsforstudents