Nghiên cứu lịch sử về sự hình thành và sinh sản của vi khuẩn

Nghiên cứu lịch sử hình thành và sinh sản của vi khuẩn giúp ích rất nhiều cho các ứng dụng như sản xuất thuốc kháng sinh, bào chế vắc-xin phòng các bệnh lây nhiễm,...Trong sinh học bào tử hữu cơ vi khuẩn rất quan trọng sản xuất bào tử lợi khuẩn và hóa chất khác.

>> Đọc thêm: Sinh học hữu cơ: Tìm hiểu về vi sinh vật trong tự nhiên và trên con người

1. Vi khuẩn là gì?

Vi khuẩn (tên tiếng Anh là bacterium, số nhiều là bacteria). Đây là một nhóm vi sinh vật đơn bào có kích thước rất nhỏ, chỉ quan sát được bằng kính hiển vi và thường có cấu trúc tế bào đơn giản, không có nhân, bộ khung tế bào hay các bào quan.

Vi khuẩn có nhiều dạng nhưng có thể xếp vào 3 loại cơ bản: Hình cầu (gọi là cầu khuẩn), hình thẳng (gọi là trực khuẩn) và hình cong (gồm phẩy khuẩn - hình cong ngắn, xoắn khuẩn - có nhiều vòng xoắn). Kích thước vi khuẩn thay đổi tùy theo loại hình và trong một loại hình, kích thước vi khuẩn cũng có sự khác biệt. Đơn vị đo kích thước vi khuẩn là micromet (1 micromet = 1/1000 milimet). Phần lớn các vi khuẩn có kích thước là 1 micromet.

Vi khuẩn là nhóm có sự hiện diện đông đảo nhất trong sinh giới. Chúng có mặt ở khắp nơi: Trong đất, nước, suối nước nóng, chất thải phóng xạ và ở dạng cộng sinh, ký sinh với các sinh vật khác, thậm chí ở trong tàu không gian có người lái.

Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong tái chế chất dinh dưỡng như: Cố định nitơ từ khí quyển và gây thối rữa các sinh vật khác, cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống. Bên cạnh đó, vi khuẩn cùng nấm men, nấm mốc cũng được sử dụng để chế biến thực phẩm lên men như: Sữa chua, phô mai, dưa cà muối, giấm, rượu,...

Tuy nhiên, có rất nhiều loại vi khuẩn gây bệnh cho con người và động, thực vật, gây tổn hại nghiêm trọng tới sức khỏe con người và hoạt động sản xuất. Và với sự phát triển của y học hiện đại, con người đã tìm ra các biện pháp kiểm soát được tác hại của vi khuẩn như bào chế vắc-xin phòng bệnh, sử dụng thuốc kháng sinh,...

Ho gà là bệnh nhiễm trùng đường hô hấp do vi khuẩn Bordetella pertussis gây ra

Vi khuẩn có thể gây bệnh cho cả người và động vật

Vi khuẩn sống ở đâu?

Vi khuẩn sống trong đất, nước, suối nước nóng có tính axit, chất thải phóng xạ, và sinh quyển sâu của vỏ Trái đất. Vi khuẩn rất quan trọng trong nhiều giai đoạn của chu trình dinh dưỡng bằng cách tái chế các chất dinh dưỡng như cố định nitơ từ khí quyển. Chu trình dinh dưỡng bao gồm quá trình phân hủy xác chết; vi khuẩn chịu trách nhiệm cho giai đoạn thối rữa trong quá trình này. Trong các cộng đồng sinh vật xung quanh miệng phun thủy nhiệt và thấm lạnh, vi khuẩn ưa nhiệt cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết để duy trì sự sống bằng cách chuyển hóa các hợp chất hòa tan, chẳng hạn như hydro sunfua và metan, thành năng lượng. Vi khuẩn cũng sống trong các mối quan hệ cộng sinh (symbiotic) và kí sinh (parasitic) với thực vật và động vật. Hầu hết vi khuẩn chưa được đặc trưng và có nhiều loài không thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu về vi khuẩn được gọi là vi khuẩn học (bacteriology), một nhánh của vi sinh vật học (microbiology).

>>Tìm hiểu thêm: Cơ chế của lợi khuẩn đối với hệ miễn dịch

2. Lịch sử vi khuẩn học

Vi khuẩn lần đầu tiên được quan sát bởi nhà hiển vi người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek vào năm 1676 bằng cách sử dụng kính hiển vi một thấu kính do chính ông thiết kế. Sau đó, ông đã công bố những quan sát của mình trong một loạt các bức thư gửi tới Hiệp hội Hoàng gia London (Royal Society of London). Vi khuẩn là khám phá hiển vi đáng chú ý nhất của Leeuwenhoek. Chúng chỉ ở mức giới hạn những gì thấu kính đơn giản của ông có thể tạo ra và trong một trong những thời điểm gián đoạn nổi bật nhất trong lịch sử khoa học, không ai khác có thể nhìn thấy chúng lần nữa trong hơn một thế kỷ. Các quan sát của ông cũng bao gồm các động vật nguyên sinh mà ông gọi là “animalcules” và phát hiện của ông đã được xem xét lại dưới những phát hiện gần đây hơn về lý thuyết tế bào.

Christian Gottfried Ehrenberg đưa ra từ "vi khuẩn" vào năm 1828. Trên thực tế, sinh vật mà  ông tìm ra là một chi chứa vi khuẩn hình que không sinh bào tử, trái ngược với Bacillus - một chi hình que sinh bào tử. Vi khuẩn có hình dạng được Ehrenberg xác định năm 1835.

Louis Pasteur đã chứng minh vào năm 1859 rằng sự phát triển của vi sinh vật gây ra quá trình lên men và sự phát triển này không phải do tự phát (nấm men và nấm mốc, thường liên quan đến quá trình lên men, không phải là vi khuẩn, mà là nấm). Cùng với Robert Koch đương thời, Pasteur là người sớm ủng hộ lý thuyết vi trùng của bệnh tật. Trước họ, Ignaz Semmelweis và Joseph Lister đã nhận ra tầm quan trọng của việc khử trùng tay trong y tế. Ý tưởng của Semmelweis đã bị từ chối và cuốn sách của ông về chủ đề này bị cộng đồng y tế lên án, nhưng sau đó các bác sĩ của Lister đã bắt đầu vệ sinh tay của họ vào những năm 1870. Trong khi Semmelweis, người bắt đầu với các quy tắc về rửa tay trong bệnh viện của mình vào những năm 1840 trước khi lan truyền ý tưởng về chính vi trùng và cho rằng các bệnh là do "phân hủy chất hữu cơ động vật".

Louis Pasteur đã chứng minh vào năm 1859 rằng sự phát triển của vi sinh vật

Robert Koch, một nhà tiên phong trong lĩnh vực vi sinh y học, đã nghiên cứu về bệnh tả, bệnh than và bệnh lao. Trong nghiên cứu của mình về bệnh lao, Koch cuối cùng đã chứng minh được lý thuyết về vi trùng, mà ông đã nhận được giải Nobel vào năm 1905. Trong các định đề của Koch, ông đã đưa ra các tiêu chí để kiểm tra xem một sinh vật có phải là nguyên nhân gây ra bệnh hay không, và các định đề này vẫn còn được sử dụng ngày nay.

Ferdinand Cohn được cho là người sáng lập ngành vi khuẩn học, nghiên cứu vi khuẩn từ năm 1870. Cohn là người đầu tiên phân loại vi khuẩn dựa trên hình thái của chúng.

Mặc dù vào thế kỷ 19, người ta biết rằng vi khuẩn là nguyên nhân của nhiều bệnh, nhưng vẫn chưa có phương pháp điều trị kháng khuẩn hiệu quả nào. Năm 1910, Paul Ehrlich đã phát triển loại thuốc kháng sinh đầu tiên, bằng cách thay đổi thuốc nhuộm chọn lọc Treponema pallidum - loại xoắn khuẩn gây bệnh giang mai - các hợp chất tiêu diệt mầm bệnh một cách có chọn lọc. Ehrlich đã được trao giải Nobel năm 1908 cho công trình nghiên cứu miễn dịch học và đi tiên phong trong việc sử dụng chất nhuộm màu để phát hiện và xác định vi khuẩn, với công trình nghiên cứu của ông là cơ sở của phương pháp nhuộm Gram và Ziehl-Neelsen.

Một bước tiến lớn trong nghiên cứu vi khuẩn đến vào năm 1977 khi Carl Woese nhận ra rằng cổ khuẩn có một dòng tiến hóa riêng biệt từ vi khuẩn. Phân loại phát sinh loài mới này phụ thuộc vào trình tự sắp xếp của RNA ribosome 16S, và chia sinh vật nhân sơ thành hai miền tiến hóa, như một phần của hệ thống ba miền.

>>Đọc thêm: Tìm hiểu về bào tử lợi khuẩn Bacillus clausii

3. Sự hình thành và sinh sản của vi khuẩn

Vi khuẩn chỉ sinh sản vô tính, không sinh sản hữu tính. Cụ thể hơn, vi khuẩn sinh sản chủ yếu bằng cách chia đôi, hay trực phân. Trong quá trình trực phân, một tế bào mẹ được phân thành 2 tế bào con bằng cách tạo ra vách ngăn để trực tiếp ngăn đôi tế bào mẹ. Tốc độ phân chia tùy từng loại vi khuẩn. Cụ thể, vi khuẩn lao có tốc độ nhân lên chậm là 18 giờ/lần; các vi khuẩn tốc độ phân chia trung bình là 20 - 30 phút/lần; vi khuẩn tả có tốc độ phân chia nhanh là 5 - 7 phút/lần.

Tuy nhiên, dù không có sinh sản hữu tính, những biến đổi di truyền (còn gọi là đột biến) vẫn xảy ra trong các tế bào vi khuẩn thông qua các hoạt động tái tổ hợp di truyền. Cuối cùng, vi khuẩn có được một tổ hợp các tính trạng từ 2 tế bào mẹ.

Các kiểu tái tổ hợp di truyền gồm: Biến nạp, tải nạp và giao nạp:

Biến nạp: chuyển DNA trần từ 1 tế bào vi khuẩn sang tế bào khác thông qua môi trường lỏng bên ngoài;
Tải nạp: Chuyển DNA của vi khuẩn, virus từ một tế bào sang tế bào khác thông qua thể thực khuẩn;
Giao nạp: Chuyển DNA từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông qua cấu trúc protein được gọi là pilus (lông giới tính).
Sau khi nhận được DNA từ một trong 3 cách trên, vi khuẩn sẽ tiến hành phân chia và truyền bộ gen tái tổ hợp cho thế hệ sau.

Cấy máu, nuôi vi khuẩn

Mỗi loại vi khuẩn có tốc độ sản sinh khác nhau

>> Đọc thêm: Công nghệ bào tử Spore Organic

4. Ứng dụng khi nghiên cứu về vi khuẩn

Cấu trúc plasmid của vi khuẩn: Ở vi khuẩn cấu trúc plasmid là phân tử ADN vòng, nhỏ, không mang hệ gen chính của bộ gen, mang những gen cực kỳ quan trọng của vi khuẩn. Plasmid có vai trò quan trọng trong lĩnh vực y - sinh - nông - dược và môi trường.
Chúng là chủ nhân chứa các gen sản xuất kháng sinh; là chủ nhân của gen sản xuất các sản phẩm kháng lại kháng sinh của một số vi khuẩn gây bệnh; đồng thời là chủ nhân chứa một số gen sản xuất độc tố và các protein tăng cường độc lực cho vi khuẩn. Rất nhiều plasmid là loại có lợi như plasmid trong vi khuẩn ở nốt sần của cây họ đậu tạo cho vi khuẩn thu nhận nitơ để sản xuất protein.

Ngoài ra, plasmid còn có nhiều loại chứa gen sản xuất kháng sinh, được tận dụng để sản xuất kháng sinh chữa bệnh cho người và động vật. Số khác có chứa gen sản xuất các loại men đặc biệt, giúp phân giải các hợp chất hữu cơ độc, hóa chất, chất thải công nghiệp, thuốc trừ sâu, chất sát trùng,... góp phần bảo vệ môi trường.

Sự phát triển của vi khuẩn: Gồm 4 giai đoạn: Thích ứng, tăng mạnh, tối đa và suy tàn. Về ứng dụng, khi vi khuẩn xâm nhập gây hại thì cần can thiệp sớm, ngay trong giai đoạn vi khuẩn đang thích ứng với môi trường, chưa sinh sản (ví dụ băng bó, xử lý sớm vết thương trong 5 - 6 giờ đầu để tránh nhiễm trùng). Còn nếu muốn nghiên cứu những tính chất điển hình của vi khuẩn thì cần lấy vi khuẩn nuôi ở giai đoạn tăng mạnh. Trong trường hợp muốn thu nhiều vi khuẩn để làm vắc-xin và kháng nguyên, nên lấy ở giai đoạn tối đa.
Vi khuẩn gồm vi khuẩn có ích và vi khuẩn có hại. Con người cần khai thác những lợi ích của vi khuẩn mang lại và kiểm soát các tác hại của vi khuẩn để cải thiện chất lượng cuộc sống.

 

Tìm hiểu về chủ đề phòng khuẩn đường ruột

• Dinh dưỡng tốt giúp hệ tiêu hóa của bạn khỏe mạnh
• Dinh dưỡng là những “viên gạch” xây dựng nên “thành trì” hệ miễn dịch cho tiêu hóa

 

Nguồn: tổng hợp internet