Khoa học tự nhiên

Khai thác sức mạnh của hệ miễn dịch phức tạp của vi khuẩn (06/09/2014)

Khả năng vi khuẩn tiêu diệt virus từ lâu đã làm các nhà khoa học bối rối, nhưng mới đây các nhà nghiên cứu tại Trường Y tế công cộng Johns Hopkins Bloomberg cho biết họ đã có một bức tranh rõ nét hệ miễn dịch của vi khuẩn và hình dạng độc đáo của vi khuẩn có khả năng lý giải tại sao vi khuẩn có thể nhanh chóng nhận ra và tiêu diệt kẻ tấn công chúng.

Nuôi cấy vi khuẩn. Ảnh: © Photographee.eu / Fotolia

Các nhà nghiên cứu đã phác thảo ra những gì họ gọi là bức tranh đầu tiên của cỗ máy phân tử, được gọi là Cascade, bảo vệ bên trong tế bào vi khuẩn. Các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi tìm thấy nó có chứa một cấu trúc hai sợi, tương tự như một chiếc thang, giúp nó hoàn thành công việc nhanh hơn so với một xoắn kép tiêu chuẩn.

Kết quả nghiên cứu, được xuất bản trực tuyến trên tạp chí Science, cũng có thể cung cấp manh mối về sự lây lan của kháng thuốc kháng sinh, xảy ra khi vi khuẩn thích ứng với thời điểm mà thuốc kháng sinh không còn tác dụng ở những người cần đến chúng để điều trị nhiễm trùng, do các quá trình tương tự đang xảy ra. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) xem việc kháng thuốc kháng sinh như một mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng trên toàn thế giới.

“Nếu bạn hiểu một cái gì đó trông như nào, bạn có thể tìm ra nó là cái gì”, trưởng nhóm nghiên cứu Scott Bailey, Phó Giáo sư, Tiến sĩ tại Khoa Hóa sinh và Sinh học phân tử của Trường Bloomberg nói.” Và ở đây chúng ta tìm thấy một cấu trúc mà chưa ai từng thấy trước đó, một cấu trúc có thể giải thích tại sao Cascade lại hoàn thành tốt những gì nó làm”.

Trong nghiên cứu của mình, Bailey và các đồng nghiệp sử dụng tinh thể học tia X để phác họa bức tranh của Cascade, một thành phần quan trọng của hệ miễn dịch phức tạp của vi khuẩn được gọi là CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Cascade sử dụng thông tin chứa trong các chuỗi ARN như kí hiệu để xác định những kẻ xâm lấn ngoài lai và tiêu diệt chúng.

Hầu hết hệ miễn dịch của người đã được hiểu rõ, nhưng cho đến gần đây các nhà khoa học đã không nhận ra mức độ phức tạp liên quan đến hệ miễn dịch của các dạng sống đơn bào, bao gồm cả vi khuẩn. Các nhà khoa học lần đầu tiên xác định CRISPR vài năm trước đây khi cố gắng để hiểu lý do tại sao cấy vi khuẩn thường làm sữa chua ngừng phản ứng với nhiễm virus. Các nhà nghiên cứu sau đó phát hiện ra họ có thể khai thác hệ miễn dịch CRISPR của vi khuẩn để chỉnh sửa ADN và sửa chữa những gen bị tổn thương. Một nhóm, ví dụ, đã có thể loại bỏ các ADN của virus từ tế bào người bị nhiễm HIV.

Công trình nghiên cứu của Bailey tập trung vào cách Cascade có thể giúp vi khuẩn chống lại virus được gọi là thực khuẩn. Hệ thống Cascade sử dụng các phần ngắn của ARN của vi khuẩn kiểm tra ADN của vi khuẩn xem liệu nó là ngoại lai hay không. Nếu là ngoại lai, tế bào sẽ tấn công bằng cách nhai nát thực khuẩn xâm nhập.

Để “nhìn thấy” điều này xảy ra như thế nào, Bailey và nhóm của ông chuyển đổi Cascade thành một dạng kết tinh. Các kỹ thuật viên tại Nguồn sáng bức xạ Synchron Quốc gia tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Upton, New York và Nguồn sáng bức xạ Synchron Stanford sau đó tạo ra tia X năng lượng cao trên các tinh thể. Các tia X cung cấp dữ liệu tính toán cho các nhà khoa học Trường Bloomberg cho phép họ vẽ Cascade, một cỗ máy gồm 11 protein chỉ hoạt động nếu mỗi protein hoạt động hoàn hảo.

Những gì họ nhìn thấy hoàn toàn bất ngờ. Thay vì các ARN bọc quanh AND để tạo thành một cấu trúc xoắn kép, trong Cascade, ADN và ARN giống như những đường thẳng song song, tạo thành một cái gì đó giống như một cái thang. Bailey nói rằng nếu ARN có để bọc xung quanh ADN để nhận ra kẻ xâm lấn - và sau đó thoát ra để kiểm tra các sợi tiếp theo - quá trình này sẽ mất quá nhiều thời gian để tránh nhiễm trùng. Với cấu trúc thang, ARN có thể nhanh chóng kiểm tra ADN.

Trong nghiên cứu mới này, Bailey cho biết nhóm của ông xác định rằng ARN kiểm tra ADN  tương tự như cách con người quét văn bản để tìm một từ quan trọng. Chúng phá vỡ các đoạn ký tự dài thành các đoạn có kích thước nhỏ hơn, giống như các từ, để chúng có thể phát hiện dễ dàng hơn.

Do hệ thống CRISPR-Cas hoạt động một cách tự nhiên như một rào cản đối với quá trình trao đổi thông tin di truyền giữa vi khuẩn và thực khuẩn, chức năng của nó có thể cung cấp manh mối kháng kháng sinh phát triển như thế nào và các ý tưởng làm thế nào để việc đó không xảy ra.

“Chúng tôi đang tìm kiếm thêm các mảnh ghép cho câu đố này,” Bailey nói. “Điều này đem lại cho chúng tôi sự hiểu biết tốt hơn về cách các cỗ máy này tìm mục tiêu của chúng như thế nào, do đó có thể giúp chúng tôi khai thác hệ thống CRISPR như một công cụ điều trị hoặc thao tác ADN trong phòng thí nghiệm.”

Nguồn: www.vista.vn (Theo Scitechdaily)