Vi khuẩn biểu hiện các dấu hiệu thiếu dinh dưỡng trong môi trường vi trọng lực

Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn trong môi trường vi trọng lực và trên Trái Đất khác nhau như thế nào?

Theo nghiên cứu mới đây của Tiến sĩ Luis Zea (Đại Học Colorado Boulder) và các cộng sự, ở vi khuẩn E. coli được nuôi cấy trên Trạm Vũ Trụ Quốc Tế (ISS), nhận thấy sự gia tăng sự biểu hiện của các gen liên quan đến tình trạng cạn kiệt dinh dưỡng và đáp ứng kháng axit.

Những phân tích dựa trên dữ liệu biểu hiện gen cho thấy sự giảm thiểu số lượng các phân tử glucose (gradient xanh) và sự tích tụ axit (gradient vàng), được cho là xảy ra ở vùng không gian ngoại vi quanh tế bào. Môi trường ngoại bào bị biến đổi, theo giả thuyết đó là kết quả của việc suy giảm trọng lực đang tác động lên hệ thống dịch của tế bào. Sự biến đổi này được cho là cơ chế sinh lý ảnh hưởng đến tập tính của vi khuẩn trong không gian. Vòng tròn màu xanh chỉ ra sự biểu hiện vượt mức các gen liên quan đến quá trình chuyển hóa, trong khi vòng tròn màu vàng đại diện cho sự biểu hiện vượt mức các gen để đáp ứng với tình trạng axit.

Kể từ khi các nhà khoa học bắt đầu thử nghiệm trên các vi khuẩn trong không gian, họ đã nhận thấy những điểm khác biệt trong tập tính của vi khuẩn khi chúng ở môi trường bên ngoài so với ở trên Trái Đất.

Luis Zea, một nhà nghiên cứu ở khoa học kỹ thuật hàng không tại Đại học Colorado Boulder ghi nhận rằng: “Trong suốt thập kỷ qua, chúng tôi đã nhìn thấy các đặc điểm khác nhau, bao gồm khả năng sinh trưởng được tăng cường, sự hình thành màng sinh học (biofilm) được cải tiến, gia tăng khả năng gây bệnh trong một số trường hợp, và giảm tính nhạy cảm với kháng sinh”. Nhà sinh vật học Jason Rosenzweig của Đại học Texas Southern và Đại học Houston cũng đã ghi nhận: “Những hiện tượng này đã được mô tả khá tốt”. Thế nhưng những nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt này lại chưa được hiểu rõ.

Một ý tưởng đã được đề ra là môi trường vi trọng lực gián tiếp làm thay đổi đặc tính sinh lý của vi khuẩn. Đó cũng là ý tưởng của một nghiên cứu mà Zea và cộng sự vừa công bố trong tháng 11 vừa qua trên tạp chí PLOS ONE.

Mặc dù đã phải đối mặt với một vài khó khăn như do thời tiết xấu, một máy bơm ammonia bị hỏng trên ISS và lượng bức xạ lớn ngoài không gian nhưng nhóm Zea đã thành công gửi các ống nghiệm chứa E. coli lên Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) qua phi thuyền Orbital ATK’s Cygnus. Khởi động bất kỳ thí nghiệm nào ngoài vũ trụ cũng thường kèm thêm vài thách thức. Theo Zea kể lại với báo The Scientist: “Một trong những điều kiện khó có được nhất là thời gian của các nhà du hành vũ trụ, họ rất bận rộn và có rất nhiều thí nghiệm đang diễn ra, vì vậy khi thiết kế thí nghiệm bạn luôn phải để tâm đến việc giảm thiểu thời gian mà các phi hành gia dành cho mình”.

Khi các vi khuẩn rời khỏi Trái Đất, các phi hành gia ở trạm ISS sẽ nuôi cấy chúng trong mô trường tối thiểu có bổ sung glucose, 19 giờ sau kháng sinh được thêm vào môi trường. Sau 30 giờ, các phi hành gia ngừng thí nghiệm bằng cách thêm vào môi trường một dung dịch cố định mẫu. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu cũng tiến hành một quá trình tương tự đối với E. coli trên Trái Đất. Khi các ống nghiệm được đưa trở về từ ISS, Zea và các đồng nghiệp đã kiểm tra sự khác biệt trong biểu hiện gen giữa mẫu thử nghiệm ngoài Trái Đất và mẫu đối chứng trên Trái Đất.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, so với các vi khuẩn nuôi trên Trái Đất, có sự gia tăng biểu hiện của các gen liên quan đến tình trạng cạn kiệt dinh dưỡng và kháng axit ở vi khuẩn từ ISS. Cả hai điều này có thể được giải thích là do những thay đổi trong môi trường chứa vi khuẩn được đưa vào không gian. Trên Trái Đất, trọng lực sẽ tạo ra các dòng chuyển động bên trong dung dịch giúp cho các phân tử chỉ có thể di chuyển khắp nơi. Nhưng trong không gian, trong điều kiện vi trọng lực, các phân tử chỉ có thể di chuyển theo một quá trình thụ động và chậm hơn nhiều, đó là sự khuếch tán.

Trong không gian, một khi các vi khuẩn sử dụng hết các chất dinh dưỡng gần chúng, nguồn chất dinh dưỡng này chỉ có thể được khôi phục nhờ sự khuếch tán chậm chạp từ vùng môi trường nuôi cấy xa hơn. Và do sự chậm trễ ấy, các gen nhằm đáp ứng với tình trạng cạn kiệt dinh dưỡng được gia tăng biểu hiện. Tương tự như vậy, một khi các vi khuẩn trong không gian phóng thích các sản phẩm phụ của trao đổi chất vào môi trường xung quanh, sự khuếch tán của các phân tử này không thể nhanh bằng tác động của trọng lực trên Trái Đất. Điều này tạo ra một môi trường có tính axit xung quanh các tế bào và các gen giúp vi khuẩn đề kháng với axit được kích hoạt.

Rocco Mancinelli, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao của Viện Nghiên cứu môi trường Bay Area ở Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA, người không tham gia vào nghiên cứu này nhận định: “Tôi nghĩ rằng, đây là bước đầu tiên và là một bước lớn để hiểu chính xác ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực lên vi sinh vật thông qua sự thay đổi môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra một cách tỉ mỉ đến cả cấp độ gen và cơ chế của những thay đổi trong môi trường”.

Robert McLean, một giáo sư sinh học tại Đại học bang Texas, người cũng không tham gia vào nghiên cứu này cho biết: “ Thật hấp dẫn. Phát hiện này đã cung cấp thêm kiến thức cho chúng ta về các vấn đề của vi trọng lực đối với tình trạng cạn dưỡng chất và sự vận chuyển sinh khối”. Ngoài ra, ông cũng mong đợi được biết thêm những giải thích mới về đặc điểm sinh học của vi khuẩn trong môi trường vi trọng lực trong các nghiên cứu sau. “Tôi có cảm giác là sẽ có nhiều hơn một nhân tố có liên quan”.

Những bước tiếp theo để tìm hiểu tập tính của vi khuẩn trong không gian là quan sát cùng lúc nhiều loài khi được nuôi cùng nhau. Rosenzweig nói: “Nên tập trung vào các vi khuẩn sinh trưởng trong môi trường nuôi cấy hỗn hợp”.

Chuyển ngữ: Nhóm Microbiology

Tài liệu tham khảo

1. http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/47553/title/Bacteria-Show-Signs-of-Starvation-in-Space/
2. L. Zea et al., “A molecular genetic basis explaining altered bacterial behavior in space,” PLOS ONE, doi:10.1371/journal.pone.0164359, 2016.