Chương 1 - TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về xạ khuẩn Xạ khuẩn (Actinomycetes) là một nhóm vi sinh vật nhân sơ thuộc lớp Actinobacteria, bộ Actinomycestales, thuộc nhóm Gram dương [13]. Thuật ngữ “actinomyces” xuất phát từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là mang cả đặc điểm của vi khuẩn và nấm [4]. Xạ khuẩn có khoảng 100 chi với hơn 1000 loài.
Chúng là những vi sinh vật đơn bào, rất đa dạng trong đó đa số sinh trưởng hiếu khí và tạo khuẩn ty phân nhánh tương tự như nấm mốc. Mạng lưới phân nhánh của hệ sợi thường phát triển ở cả bề mặt cơ chất rắn (tạo thành hệ sợi khí sinh) lẫn bên trong tạo thành hệ sợi cơ chất [23]. Khuẩn lạc xạ khuẩn thường rắn chắc, thô ráp, phát triển sâu vào bề mặt thạch, kích thước khuẩn lạc khác nhau tùy thuộc vào loài xạ khuẩn và điều kiện nuôi cấy. Phần lớn xạ khuẩn sinh bào tử, bào tử được hình thành trên các nhánh phân hóa của khuẩn ty khí sinh- gọi là cuống sinh bào tử, bào tử có dạng hình cầu, hình que hoặc hình oval.
Xạ khuẩn có khả năng tiết sắc tố vào môi trường nuôi với nhiều màu đa dạng như đỏ, da cam, vàng, nâu, đen. Nhiệt độ để xạ khuẩn phát triển tốt nhất là 25- 35°C, tuy vậy nhiều loài xạ khuẩn đã được phân lập từ các môi trường khắc nghiệt; ví dụ như Nocardiopsis alkaliphila được phân lập từ đất sa mạc ở Ai Cập có thể sống ở pH 9.5-10, tồn tại trong trầm tích biển sâu như rãnh Mariana hoặc Nam Cực [4, 19]. Xạ khuẩn nhạy cảm với độ axit (pH thấp), chúng phát triển tốt trong môi trường pH trung tính (6. Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên, được tìm thấy chủ yếu trong đất, phù sa và thảm thực vật mục nát, ước tính có 104-108 CFU trong 1 gram đất [4].
Xạ khuẩn đóng vai trò về mặt sinh thái quan trọng trong vòng tuần hoàn tự nhiên. Chúng tham gia vào quá trình phân giải và sử dụng các chất hữu cơ khó phân hủy như humic acid trong đất, cellulose, tinh bột. Nhiều chủng xạ khuẩn có khả năng hòa tan lignin và phân hủy các hợp chất liên quan đến lignin bằng cách sinh các enzyme thủy phân cellulose, hemicellulose và các peroxidase ngoại bào [34]. Ngoài 4 c ra, nhiều chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces có khả năng kiểm soát bệnh cây trồng.
Xạ khuẩn được chia thành 2 loại: Streptomyces và non-Streptomyces. Chi xạ khuẩn được biết đến nhiều nhất là Streptomyces với khoảng 500 loài đã được mô tả [3]. Các loài xạ khuẩn thuộc chi này đóng góp hơn 70% trong số hơn 5000 chất kháng sinh thu được từ vi khuẩn và nấm sợi. Ứng dụng của xạ khuẩn Xạ khuẩn được biết đến với nhiều ứng dụng liên quan tới nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như sản xuất thuốc, sản xuất chế phẩm kháng bệnh, ứng dụng bảo vệ thực vật.
Trong nông nghiệp, sử dụng các chế phẩm sinh học có nguồn gốc từ xạ khuẩn nhằm mục đích chống bệnh do nấm, do vi khuẩn gây ra trên rau quả và cây trồng, kiềm chế các bệnh thực vật sinh ra từ đất. Các loài xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces và Micromonospora sử dụng hợp chất giàu carbon và ni-tơ như cellulose, hemicellulose, protein và lignin trong đất, phân hủy chúng thành mùn [4]. Một số khác sản xuất enzyme ngoại bào như chitinase, gelatinase và catalase có khả năng phân giải các chất hữu cơ phức tạp. Dịch lên men của các chủng xạ khuẩn còn được dùng để xử lý hạt giống với mục đích tiêu diệt nguồn bệnh ở bên ngoài và trong hạt.
Một số loài xạ khuẩn như S. griseoviridis có khả năng sinh chất kích thích tăng trưởng thực vật – gibberellin, auxin và cytokinin, kích thích sự phát triển của cây trồng [32]. Trong công nghiệp, xạ khuẩn có khả năng sản xuất nhiều loại enzyme như amylase, cellulase, protease, xylanase ứng dụng trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, dệt may, y sinh và sản xuất chất tẩy rửa. Cellulase phân giải cellulose thành đường và vì vậy là enzyme công nghiệp quan trọng trong sản xuất nhiên liệu sinh học.
rutgersensis sinh cellulase có khả năng chịu nhiệt cao và được ứng dụng làm chất bổ sung trong chất tẩy rửa, phụ gia, bột giấy [37]. Protease được tìm thấy từ dịch nuôi các loài thuộc chi Streptomyces, Nocardia, Nocardiopsis được sử dụng để xử lý các chất thải công nghiệp, làm chất 5 c tẩy rửa và khử mùi [37]. và Actinomadura keratinilytica có khả năng sinh enzyme keratinase, phân hủy rác thải có nguồn gốc từ lông, móng, len [4]. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu về tiềm năng vi sinh vật trong môi trường khắc nghiệt để có thể sản xuất các enzyme mới, thân thiện với môi trường theo xu hướng công nghệ sinh học xanh.
Ngoài ra, xạ khuẩn được ứng dụng để cung cấp phần lớn các loại kháng sinh, chất kháng nấm, chất ức chế miễn dịch, chất chống ung thư mà con người đang sử dụng hiện nay. Kháng sinh đầu tiên được biết đến là penicillin (1928) được phát hiện bởi nhà khoa học A. Fleming, khi ông vô tình thấy rằng nấm Penicillin notatum tạo vùng kháng khuẩn trên đĩa Staphylococcus [33].Từ đó, việc tìm kiếm các chất kháng sinh từ vi sinh vật được chú ý đến nhiều hơn. Các chất có hoạt tính kháng nấm như nystatin có nguồn gốc từ xạ khuẩn S.
noursei, được phát hiện lần đầu vào năm 1950 và được sử dụng điều trị nhiễm nấm Candida trên da [44]. Amphotericin B, sản xuất bởi S. nodosus phân lập từ mẫu đất Venezuela (1955) là một chất chống nấm mạnh, được sử dụng để điều trị nhiều chứng nhiễm nấm nghiêm trọng [43]. Hiện nay, các nhà khoa học đang hướng tới nghiên cứu nhiều loài xạ khuẩn khác, đặc biệt là nhóm xạ khuẩn hiếm để tìm ra các chất có hoạt tính sinh học mới, có tính ứng dụng cao trong y học.
Vai trò của xạ khuẩn trong sản xuất các chất trong y học Từ lâu, xạ khuẩn được biết đến nhiều với khả năng sản xuất các chất thứ cấp có hoạt tính sinh học. Trong số 22500 hợp chất có hoạt tính sinh học từ vi sinh vật, số chất thu từ xạ khuẩn chiếm 45%, 38% từ nấm sợi và 17% từ các loại vi sinh vật khác [3]. Các chất thứ cấp có ứng dụng rất lớn trong sản xuất thuốc chống nấm (nystatin), chống vi khuẩn (streptomycin, chloramphenicol, tetracycline), thuốc kháng virut (tunicamycin), thuốc ức chế miễn dịch (rapamycin), thuộc hạ sốt (avermectin), thuốc chống ung thư (actinomycin, mitomycin C, anthracyclines), enzyme ức chế (axit clavulanic). Waksman đã liên tục phân lập và sàng lọc vi khuẩn và nấm sợi từ đất để tìm các loại kháng sinh mới.
Trong những năm 1940, Waksman cùng các cộng sự đã phát hiện ra hơn 15 loại kháng sinh như actinomycin, 6 c clavacin, grisein. Đáng chú ý nhất là nhóm nghiên cứu của ông đã tìm ra streptomycin từ loài Streptomyces griseus (1944). Đây là kháng sinh điều trị hiệu quả đầu tiên cho bệnh lao và neomycin từ loài Streptomyces fradiae (1949) – kháng sinh điều trị nhiễm trùng sau phẫu thuật đường ruột [47]. Sau đó, nhiều nghiên cứu khác đã phát hiện ra nhiều hoạt chất mới được tách từ xạ khuẩn có ứng dụng lớn trong y học.
Ví dụ, nystatin từ Streptomyces noursei đã được chứng minh khả năng kháng nấm Candida albicans, còn tetracyclin, được tách chiết từ một số chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces (S. viridifaciens), là loại kháng sinh có phổ rộng, chống lại được cả vi khuẩn Gram dương và Gram âm [2]. Bên cạnh các chất kháng sinh, các chất có hoạt tính sinh học giữ vai trò quan trọng trong việc điều trị bệnh và ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe và cuộc sống của con người. Trong khi hầu hết các hoạt chất phức tạp như các hợp chất có nguồn gốc từ vòng cacbon thơm hoặc các gốc ankyl khó có thể tổng hợp bằng con đường hóa học, thu một hợp chất từ chủng xạ khuẩn có khả năng tổng hợp chất đó được coi là giải pháp hữu ích và hiệu quả.
Xạ khuẩn là một trong những nguồn quan trọng nhất để cung cấp lượng thuốc ra thị trường và khám phá ra các hợp chất sinh học mới. Năm 2011, maklamicin – một polyketide mới được tìm thấy từ dịch tách chiết chủng nội sinh Micromonospora sp. GMKU326 phân lập tại Thái Lan [21]. Maklamicin là hợp chất đa vòng có khả năng kháng khuẩn mạnh, đặc biệt kháng mạnh các vi khuẩn Gram dương như Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, kháng nấm C.
alibicans và có khả năng gây độc tế bào ung thư. Bên cạnh đó, nhiều hợp chất chống nấm, chống virut đã được tìm thấy. Sceliphrolactam là chất chuyển hóa thứ cấp sản xuất từ xạ khuẩn Streptomyces sp. sống liên kết với loài côn trùng cánh màng Sceliphron caementarium.
Sceliphrolactam đã được chứng minh hoạt tính kháng nấm mạnh đối với chủng nấm C. alibicans kháng amphotericin [39]. 15-glycidylfilipin III là hợp chất ức chế mạnh mẽ nấm C. albicans với giá trị MIC là 6,25 µg/mL, gấp 2 lần so với giá trị MIC của nystatin là 3,13 µg/mL [50].
15-glycidylfilipin III được tìm thấy từ chủng xạ khuẩn đất S. Sáu loại thuốc khử trùng mới – enduspeptide A-F, được sản xuất từ chủng Streptomyces sp. phân lập từ mẫu đất lấy 7 c từ mỏ than ở độ sâu 20 cm, Trung Quốc [9]. Trong đó, enduspeptide A và C có khả năng kháng chủng C.
glabrata ATCC 90030 mạnh nhất. Nghiên cứu về chủng xạ khuẩn Streptomyces kaviengensis phân lập từ bờ biển New Ireland thuộc Papua New Guinea đã xác định một chất chuyển hóa mới là antimycin A1a có hoạt tính chống virut đáng kể [45]. Hợp chất antimycin A1a là dẫn xuất của antimycin A, có tiềm năng chống lại virus viêm não ngựa miền Tây. Phân tích cơ chế hoạt động của antimycin A1a cho thấy hợp chất làm gián đoạn vận chuyển điện tử của ty thể và quá trình sinh tổng hợp pyrimidine.
Hơn nữa, antimycin A đã được biết đến với khả năng kháng ARN virut, hoạt động phổ rộng trên các họ Togaviridae, Flaviridae, Bynyaviridae, Picornaviridae và Paramyxoviridae. Gần đây nhất vào năm 2018, ahmpatinin iBu đã được chứng minh khả năng ức chế chống lại protease HIV-1, đây là hợp chất được tìm thấy từ chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. CPCC 202950 nuôi trên môi trường gạo ngâm vô trùng [6]. Nhìn chung, đa số các loài xạ khuẩn có khả năng sinh các chất có hoạt tính sinh học mạnh và được ứng dụng nhiều trong thực tế.
Nhiều chủng xạ khuẩn có khả năng tổng hợp đồng thời hai hay nhiều chất, phụ thuộc vào cơ chế biểu hiện gen, ảnh hưởng của enzyme. Việc tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính sinh học mới có khả năng chống lại các vi khuẩn, virut gây bệnh kháng thuốc đang là một lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu hợp chất.