MỞ ĐẦU
Sự phát triển của các kĩ thuật di truyền mới đã và đang làm mới lại lĩnh vực khám phá thuốc ví dụ như việc tiết lộ tiềm năng sinh tổng hợp khổng lồ của một số vi sinh vật, ví dụ như xạ khuẩn. Trong những năm trước đây, giải trình tự hệ gen của một số lượng lớn Streptomyces đã và đang nhấn mạnh sự hiện diện của một số lượng lớn hơn của các cụm gen sinh tổng hợp (biosynthetic gene clusters- BGCs) cho việc sản sinh các chất chuyển hóa thứ cấp so với quan điểm trước đây. Nhiều BGCs này không được biểu hiện dưới điều kiện phòng thí nghiệm, do đó, các sản phẩm của chúng không được biết đến. Sự kích thích biểu hiện của những BGCs câm này là một lĩnh vực nghiên cứu thu hút trong việc khám phá thuốc và các nỗ lực tập trung và năm hướng tiếp cận: (i) Biến đổi gene của các vùng điều hòa phiên mã cục bộ hoặc riêng biệt theo cụm gene, (ii) biểu hiện của các BGC tổng hợp hoặc tự nhiên trên các vật chủ cùng loài hoặc khác loài, (iii) kĩ thuật liên quan đến ribosome, (iv) các cách tiếp cận OSMAC thông qua sự biến đổi mang tính hệ thống của các thông số sinh trưởng, và (v) bắt chước môi trường sinh thái của chủng tổng hợp bằng cách đồng nuôi cấy với các vi sinh vật khác hoặc thông qua sử dụng các chất mồi (ví dụ các nguyên tố đất hiếm, dimethyl sulfoxide, ethanol).
Thông thường, nghiên cứu trên các sản phẩm tự nhiên dựa trên các hợp chất tan trong nước, nhưng trong những năm gần đây, sự quan trọng của hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) với các hoạt tính sinh học thú vị đang thu hút sự chú ý của giới khoa học. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thử nghiệm giả thuyết rằng các VOCs phát ra bởi xạ khuẩn phân lập từ kiến cắt lá có thể sử dụng như những tín hiệu giao tiếp của việc kích hoạt sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học với các xạ khuẩn khác trong cộng đồng. Các thí nghiệm được tiến hành bao gồm đồng nuôi cấy xạ khuẩn trong các buồng VOC; Đa nuôi cấy xạ khuẩn; Đánh giá khả năng sinh kháng sinh trong điều kiện đồng nuôi cấy; Tách chiết các chất chuyển hoá thứ cấp từ buồng VOC, phân tích với UPLC và giả lập môi trường; Xác định cụm gen sinh tổng hợp và phân tích trình tự.
    |
 |
| Hình 1. Cấu tạo buồng VOC (a) Sơ đồ mặt bên của buồng VOC; (b) biểu diễn từng phần của thiết bị buồng VOC. Lỗ ở giữa cho phép trao đổi VOC giữa các đĩa nuôi cấy; (c) ảnh chụp buồng VOC đã lắp ráp |
KẾT QUẢ
Tình trạng phát triển và hình thái của các chủng xạ khuẩn trong buồng VOC
Không có sự thay đổi nào trong tỷ lệ sinh trưởng được ghi nhận giữa nuôi đơn và đồng nuôi cấy và chỉ có duy nhất một sự khác biệt nhỏ trong việc xác định thời gian giai đoạn sinh bào tử phụ thuộc vào một số chủng nhất định và chủng mà chúng bắt cặp. Một ngoại lệ duy nhất được quan sát là Streptomycetes sp. CS194. Chủng này không thể sinh trưởng trên môi trường SFM khi nuôi đơn nhưng khi hấp thụ VOCs từ những chủng khác CS194 đạt các mức độ sinh trưởng khác nhau. Điều này làm nổi bật sự quan trọng của VOCs trong giao tiếp giữa các chủng trong một cộng đồng phức tạp và chứng minh vai trò của chúng như các chất kích thích sinh trưởng.
|
 |
| Hình 2. Một số kết quả thu được từ chủng CS014 và CS081a nuôi trên môi trường YMA. (hình trái) sự khác biệt giữa xạ khuẩn nuôi đơn và đồng nuôi cấy trong buồng VOC. (hình phải) sự khác biệt trong hoạt tính đối kháng với Micrococcus luteus |
Sinh tổng hợp kháng sinh mới hoặc gia tăng nồng độ trong buồng VOC
Các xét nghiệm sinh học trên đĩa thạch được thực hiện bằng cách sử dụng các mẫu được chiết xuất từ các chủng CS được nuôi trong buồng VOC và các vùng ức chế được so sánh với vùng đối chứng. Không có kết quả dương tính nào thu được khi các chủng được nuôi cấy trên R5A và chỉ có các chủng CS149 và CS194 cho thấy hoạt động kháng sinh tăng lên trong quá trình nuôi cấy chung khi được nuôi cấy trên môi trường SFM. Ngược lại, quá trình chuyển hóa thứ cấp của nhiều chủng khác được kích hoạt bởi VOC do các khuẩn lạc khác phát ra trên YMA.
Ảnh hưởng của VOCs trong đa đồng nuôi cấy
Một số chủng không thể xác định bất cứ thay đổi nào trong khả năng sinh tổng hợp các hợp chất kháng sinh sau khi được tiếp xúc với VOCs từ các chủng xạ khuẩn khác trong buồng VOC. Với những chủng này, các nhà nghiên cứu tiến hành một cách tiếp cận đa đồng nuôi cấy nơi mà các chủng chịu tác động của VOCs từ ba chủng khác để giả lập môi trường phức hợp được tìm thấy bên trong tổ của kiến cắt lá. Sử dụng cách tiếp cận này, hoạt tính kháng khuẩn được ghi nhận cao hơn ở Streptomyces sp. CS065a kháng lại M. luteus và E. coli. Phân tích UPLC so sánh giữa các mẫu Streptomyces sp. CS065a nuôi đơn và đa đồng nuôi cấy với các chủng khác cho thấy sự liên quan tới việc kích hoạt sinh tổng hợp nhiều hợp chất thuộc họ alteramide và chromomycin. Quá trình sinh tổng hợp alteramide và chromomycin của Streptomyces sp.CS065a chỉ xảy ra khi chủng này được đồng nuôi cấy với ba chủng khác, do không thể phát hiện các hợp chất đó trong các mẫu từ nuôi cấy đơn hoặc nuôi cấy kép sử dụng buồng VOC khi ghép các chủng tương tự.
KẾT LUẬN
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh sự quan trọng của VOCs trong giao tiếp giữa các chủng trong một cộng đồng phức tạp và chứng minh vai trò của chúng như các chất kích thích sinh trưởng lẫn nhau. Thêm vào đó, tiềm năng của các chủng CS như những vi sinh vật sinh tổng hợp kháng sinh được kiểm chứng nhưng quan trọng hơn là khả năng điều chỉnh bộ máy sinh tổng hợp của các loài liên quan khác. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra tầm quan trọng của VOC trong quá trình điều hòa trao đổi chất của các loài liên quan và chỉ ra ý tưởng rằng có thể cần nhiều hơn một tác nhân tạo VOC để đạt được kết quả mong muốn.
Người dịch: Phạm Gia Bảo- K65CNSHE
Theo Cuervo, L.; Méndez, C.; Salas, J.A.; Olano, C.; Malmierca, M.G. Volatile Compounds in Actinomycete Communities: A New Tool for Biosynthetic Gene Cluster Activation, Cooperative Growth Promotion, and Drug Discovery. Cells 2022, 11, 3510. https://doi.org/ 10.3390/cells11213510