Bacteriocin từ hệ vi sinh vật vùng rễ – Góc nhìn từ nông nghiệp (Phần 1)

GIỚI THIỆU VỀ BACTERIOCIN

Sự phát triển của quần thể vi sinh vật chủ yếu được kiểm soát bởi các hợp chất mà vi khuẩn tạo ra và bài tiết vào môi trường xung quanh. Những hợp chất này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vi khuẩn trước các vi sinh vật cạnh tranh, được ví như một “cuộc chạy đua vũ trang không hồi kết” (Riley, 1998). Ngoài ra, chúng còn hoạt động như các tín hiệu giúp vi khuẩn định cư trong môi trường đất.

Các hợp chất do vi khuẩn tiết ra bao gồm:

• Kháng sinh không tổng hợp từ ribosome có phổ tác dụng rộng
• Enzyme phân giải (như lysozyme)
• Các sản phẩm chuyển hóa như axit hữu cơ
• Độc tố protein ngoại bào
• Peptide kháng khuẩn được tổng hợp từ ribosome, gọi là bacteriocin

Bacteriocin là một nhóm quan trọng trong cơ chế bảo vệ của vi khuẩn. Hầu hết các loài vi khuẩn đều sản xuất ít nhất một loại bacteriocin.

Bacteriocin là các chất ngoại bào có cấu trúc từ protein, với trọng lượng phân tử dao động từ rất nhỏ đến lớn. Chúng chủ yếu được tổng hợp từ plasmid, nhưng cũng có thể có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể. Việc sản xuất bacteriocin diễn ra ở nhiều giai đoạn sinh trưởng khác nhau của vi khuẩn và dưới nhiều điều kiện môi trường khác nhau (Daw & Falkiner, 1996). Chúng có khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn có quan hệ gần gũi.

Dựa trên đặc điểm cấu trúc peptide như sự biến đổi hậu dịch mã, chuỗi bên, độ bền nhiệt, sự tương đồng trình tự ở đầu N và trọng lượng phân tử, bacteriocin được chia thành bốn nhóm chính (Klaenhammer, 1993).

Loài Bacillus lần đầu tiên được ghi nhận có khả năng sản xuất bacteriocin vào năm 1976. Các bacteriocin có trọng lượng phân tử thấp từ vi khuẩn Gram dương được phát hiện có hoạt tính tiêu diệt vi khuẩn Gram dương khác (Tagg et al., 1976). Trong số các bacteriocin đã nghiên cứu, colicin từ Escherichia coli là loại phổ biến nhất (Pugsley, 1984).

Nhờ giá trị thương mại, bacteriocin đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đặc biệt trong vai trò chất bảo quản tự nhiên và tác nhân trị liệu chống vi khuẩn gây bệnh (Tagg et al., 1976; Jack et al., 1995; de la Fuente-Salcido et al., 2013). Nisin, được tổng hợp từ Lactococcus lactis, là bacteriocin duy nhất được công nhận an toàn để sử dụng trong thực phẩm (GRAS). Tuy nhiên, nisin có giới hạn do không hiệu quả đối với vi khuẩn Gram âm (Olasupo et al., 2003), dẫn đến nhu cầu tìm kiếm các bacteriocin mới.

Bài tổng quan này tập trung vào các bacteriocin từ vi khuẩn cộng sinh vùng rễ và vi khuẩn gây bệnh thực vật, có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp, thú y và y học.

---

BACTERIOCIN TỪ VI KHUẨN VÙNG RỄ

Bacteriocin đầu tiên được phân lập từ Bacillus cereus là Cerein 7, với khối lượng 3,94 kDa (Oscáriz et al., 1999). Ngoài B. cereus, các loài Bacillus thuringiensis, B. subtilis, B. stearothermophilus, B. licheniformis và B. megaterium cũng được báo cáo có khả năng sản xuất bacteriocin.

Nghiên cứu đầu tiên về cơ chế tác động của bacteriocin tập trung vào Rhizobium lupini, một loại vi khuẩn nốt sần ở cây lupin. Hai chủng R. lupini 16-2 và 16-3 được phân lập, trong đó 16-3 sản xuất bacteriocin có khả năng ức chế sự phát triển của 16-2 (Lotz & Mayer, 1972).

Một phát hiện thú vị là hoạt tính của bacteriocin có thể bị trung hòa bởi lipopolysaccharide (LPS) của vi khuẩn khác. Điều này làm dấy lên câu hỏi vì sao một số vi khuẩn vẫn có thể thích nghi và định cư trên rễ cây dù nhạy cảm với bacteriocin. Hiện nay, chúng ta biết rằng vi khuẩn có thể kháng bacteriocin một cách tự nhiên hoặc thông qua cơ chế thích nghi. Những thay đổi ở thành tế bào có thể làm mất đi vị trí gắn hoặc chèn bacteriocin, đồng thời giúp vi khuẩn kháng lại tác động của chúng (de Freire Bastos et al., 2015).

Một số bacteriocin tiêu biểu từ vi khuẩn vùng rễ:

• Cerein 8A (B. cereus 8A): Phá vỡ màng tế bào vi khuẩn mục tiêu (Bizani et al., 2005).
• Bac-GM17 (B. clausii GM17): Có tác dụng diệt Agrobacterium tumefaciens và ức chế nấm Candida tropicalis (Mouloud et al., 2013).
• Putidacin (Pseudomonas putida BW11M1): Có cấu trúc tương tự lectin thực vật (Parret et al., 2003).
• Amylocyclicin (B. amyloliquefaciens FZB42): Có tác dụng mạnh với vi khuẩn Gram dương (Scholz et al., 2014).
• Bac IH7 (B. subtilis IH7): Kích thích tăng trưởng cây cà chua và dưa lưới, đồng thời kiểm soát nấm gây bệnh Alternaria solani (Hammami et al., 2011).

Ngoài ra, một số vi khuẩn gây bệnh thực vật cũng có khả năng sản xuất bacteriocin. Ví dụ:

• Erwiniocin NA4 từ Erwinia carotovora, vi khuẩn gây thối rễ cây trồng (Jabeen et al., 2004).
• Michiganin A từ Clavibacter michiganensis, vi khuẩn gây bệnh héo rũ trên cà chua (Holtsmark et al., 2006).
• Carocin S1 từ Pectobacterium carotovorum, vi khuẩn gây bệnh thối mềm trên rau củ (Holtsmark et al., 2008).

Đặc biệt, Thuricin 17 (Th17) từ Bacillus thuringiensis NEB17 là bacteriocin duy nhất được nghiên cứu chuyên sâu về khả năng kích thích tăng trưởng thực vật. Nó hoạt động như một hợp chất tín hiệu giúp cây trồng tăng cường hấp thu dinh dưỡng và chống chịu stress mặn.