Màng sinh học vi khuẩn (BSH) được hình thành bởi các cộng đồng vi khuẩn được bao bọc trong một ma trận các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) mà chúng tự sản xuất. Điều quan trọng là, vi khuẩn trong MSH thể hiện một số “đặc tính nổi bật” khác biệt rõ rệt với các tế bào vi khuẩn sống tự do. Bài viết này sẽ xem xét vai trò chính của chất nền MOH trong việc xác định tính chất nổi bật của MOH, các đặc điểm nổi bật của MOH như hợp tác xã hội, dự trữ tài nguyên và vai trò trong tăng trưởng MOH. khả năng sống sót khi tiếp xúc với kháng sinh hoặc thuốc chống vi trùng. Đồng thời, bài viết cũng sẽ làm nổi bật giá trị của một quy luật sinh thái trong việc nghiên cứu các tính chất đặc biệt của MSH, cho phép đánh giá mức độ thành công về mặt sinh thái của MSH với tư cách là môi trường sống, rộng hơn là lối sống của vi sinh vật.

Định nghĩa màng sinh học

Màng sinh học là một hệ thống phức tạp với mật độ tế bào cao, từ 108 đến 1011 tế bào/g khối lượng ướt và thường bao gồm nhiều loài.. Nguồn gốc của tính không đồng nhất là các tế bào trong MSH chịu sự biệt hóa, điều kiện cục bộ và phối hợp với các vòng đời, bao gồm các giai đoạn biểu hiện gen và protein cụ thể, điển hình cho sự tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ sinh thái không đồng nhất về mặt không gian. Màng sinh học có những đặc tính mới đáng kinh ngạc vì trong quá trình này, các cấu trúc, hoạt động, mô hình và đặc tính mới được tạo ra, là kết quả của quá trình tự tổ chức trong các hệ thống phức tạp, xảy ra đồng thời và dẫn đến sự hình thành môi trường sống hữu cơ (môi trường sống hữu cơ).

Thông qua các tương tác giữa các tế bào, cả xã hội/cộng đồng và vật chất, cùng với các đặc tính cơ chất, lối sống của màng sinh học khác biệt rõ rệt với lối sống của các tế bào vi khuẩn sống tự do. Do đó, các cộng đồng MSH có các đặc tính đáng ngạc nhiên, đó là những đặc tính mới xuất hiện trong MSH, không thể dự đoán được từ nghiên cứu về tế bào vi khuẩn sống tự do. Nó là một trong những dạng sống phổ biến và thành công nhất trên Trái đất.

Hình 1: Đặc điểm nổi bật của MSH và sự hình thành sinh cảnh

Tế bào vi khuẩn trong màng sinh học được coi là môi trường sống. Chất nền bao gồm các hợp chất cao phân tử ngoại bào (EPS), giúp điều chỉnh cấu trúc và tính ổn định của màng sinh học. Các chất dinh dưỡng và các phân tử khác có thể bị giữ lại do sự hấp thụ của các phân tử EPS và các lỗ và rãnh của chất nền. Màng được hình thành bởi các phân tử kỵ nước EPS làm tăng tính ổn định của MSH trong môi trường nước. Một số đặc tính nổi bật của màng sinh học được quy cho chất nền EPS, chẳng hạn như độ dốc cục bộ mang lại sự đa dạng về môi trường sống, bảo tồn tài nguyên thông qua hấp thụ, duy trì các enzym để phân hủy, tương tác giữa màng sinh học và màng sinh học, xã hội hóa và khả năng chịu đựng và/hoặc khả năng chống lại việc tiếp xúc với kháng sinh.

Kiểm soát chu kỳ của màng sinh học Đông – Thổ – Hóa* của hầu hết các nguyên tố/thành phần trong môi trường nước, trên cạn, trầm tích và dưới lòng đất. Các ứng dụng công nghệ sinh học của MSH bao gồm lọc nước uống, giảm nước thải và đất bị ô nhiễm, giảm chất xúc tác sinh học trong các quy trình sản xuất hóa chất khối lượng lớn có tuổi thọ cao và các ứng dụng công nghệ sinh học khác. Tất cả các sinh vật bậc cao, bao gồm cả con người, là môi trường sống di cư của các vi sinh vật sản xuất MSH, thể hiện qua các bệnh nhiễm trùng dai dẳng ở thực vật, động vật và con người; hoặc liên quan đến việc truyền bệnh thông qua các thiết bị y tế và cấy ghép.

* Chu trình sinh địa hóa là chu trình trao đổi các chất trong tự nhiên: các chất từ ​​môi trường ngoài vào cơ thể, qua các bậc dinh dưỡng rồi từ cơ thể sinh vật trở lại môi trường. Một chu trình sinh địa hóa bao gồm các phần: tổng hợp các chất, tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, phân hủy và lắng đọng một phần vật chất trong đất và nước.

chất nền màng sinh học

Chất nền là một giao diện/bề mặt chung hay đúng hơn là một “khoảng cách” giữa MSH và môi trường ngăn cách các quá trình bên trong MSH và các phản ứng từ bên ngoài. Chất nền được coi là một tổ chức không gian trong MSH mà từ đó độ dốc, đa dạng sinh học, phức hợp, tương tác động học và hiệp đồng, bao gồm giao tiếp giữa các tế bào và chuyển gen ngang.

Sự hình thành chất nền là một quá trình động học phụ thuộc vào sự sẵn có của chất dinh dưỡng, sinh tổng hợp và bài tiết các vật chất ngoại bào, phân mảnh mạnh, cạnh tranh xã hội và chăn thả gia súc, một hình thức ăn thịt, chẳng hạn như khi động vật nguyên sinh ăn vi khuẩn) từ các sinh vật khác. Không có gì ngạc nhiên khi chất nền thu được có giá trị hoạt độ lớn, nhờ cấu trúc và tính ổn định hóa lý của nó, chất nền mới có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và hoạt động của MSH.

Hầu hết sinh khối MSH bao gồm EPS ngậm nước và tế bào vi khuẩn. Sự tự tổ chức của các phân tử EPS trong giá thể dựa trên sự tương tác nội phân tử giữa các thành phần EPS, góp phần quyết định tính chất cơ học của giá thể và các hoạt động sinh lý của các sinh vật trong giá thể MSH. Các phân tử EPS ảnh hưởng gián tiếp đến sự hình thành cấu trúc của MSH – đây là một quá trình động học liên tục để tạo ra một cơ quan không gian trong đó các tế bào trong MSH là khuẩn lạc.

Thành phần chính của chất nền là nước (đến 97%), trong đó các thành phần cấu trúc và chức năng của chất nền là: chất hòa tan, gel polysaccharides, protein và eDNA, thành phần không hòa tan bao gồm bột tinh thể, cellulose, gân, nhung mao, lông mao. Các lỗ và kênh giữa các khuẩn lạc tạo ra các khoảng trống trong chất nền tạo điều kiện cho quá trình hóa lỏng, giúp đưa ra khái niệm “hệ thống tuần hoàn thô sơ” cho MSH. . Trong một số trường hợp cụ thể, các thành phần cấu trúc của chất nền có thêm chức năng, có lợi cho MSH. Cấu trúc không cứng của MSH, là vùng thay đổi độ nhớt cơ bản, cho phép các tế bào di chuyển trong ma trận, đóng vai trò quan trọng đối với độ xốp, tính chất cơ học và vi lưu biến. nghiên cứu các tính chất lưu biến của vật chất ở quy mô nhỏ).

Một đặc tính nổi bật quan trọng của MSH có được thông qua chất nền là khả năng chịu hạn của nó (Hình 2a), do các vi sinh vật sống trong môi trường luôn chịu áp lực về nước. Thật vậy, vi khuẩn trong MSH phản ứng tích cực với hạn hán thông qua việc sản xuất các phân tử EPS, trong đó các polyme ngậm nước chiếm tỷ lệ cao trong chất nền EPS, bảo vệ MSH khỏi bị khô nhờ hoạt động của hydrogel giữ nước. Ngoài ra, sự hình thành màng xuyên qua lớp trên cùng của EPS tạo ra một rào cản chống lại sự bốc hơi nước. Một nghiên cứu điều tra tác động của việc sấy khô đối với MSH ngậm nước cho thấy rằng hoạt tính của enzyme trong các mẫu sấy khô đã được phục hồi hoàn toàn sau khi kết tinh lại. Do đó, lối sống màng sinh học cung cấp khả năng bảo vệ chống hút ẩm tốt hơn so với các tế bào vi khuẩn sống tự do do thiếu lợi ích của chất nền EPS.

Hình 2: Tính chất vật lý và hóa học của chất nền màng sinh học

A. MSH được xem như một pháo đài bảo vệ, thông qua một số đặc tính của chất nền, cho phép một số tế bào tồn tại trong điều kiện hút ẩm.

B. MSH là một hệ thống giống như bọt biển, cung cấp bề mặt để hấp thụ nhiều loại phân tử được giải phóng từ môi trường. Điều này dẫn đến một số lợi ích cho MSH như trao đổi chất dinh dưỡng, ổn định cơ chất. Tương tự như vậy, các đặc tính hóa lý của chất nền, cho phép MSH giữ lại và ổn định các enzyme thủy phân ngoại bào do các tế bào trong MSH sản xuất, biến chất nền thành một hệ dung môi bên ngoài. Các MSH bám trên bề mặt không chỉ làm mất chất dinh dưỡng trong pha nước mà còn bị thủy phân bởi các hợp chất dễ phân hủy từ chất nền sau khi tiếp xúc với các enzyme trong chất nền.

Bảo tồn tài nguyên thông qua màng sinh học

Sự hấp thu chất dinh dưỡng là một quá trình cần thiết đối với tất cả các vi sinh vật và Bộ Y tế đã phát triển một chiến lược lưu trữ chất dinh dưỡng hiệu quả vượt trội so với các tế bào vi khuẩn sống tự do. Chiến lược này dựa trên đặc tính hấp thụ thụ động của chất nền EPS giống bọt biển, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất dinh dưỡng, khí và các phân tử khác giữa môi trường và MSH.

MSH là một hệ thống hấp thụ phức tạp, với các cơ chế hấp thụ khác nhau và các vị trí liên kết với tế bào chất, thành tế bào của tế bào trong MSH và liên kết với chất nền EPS. Các vị trí liên kết này bao gồm các chất trao đổi anion và cation, nghĩa là một lượng lớn các chất được liên kết và tích lũy để các tế bào trong MSH tiêu thụ hiệu quả, ngay cả khi các chất này hiện diện ở nồng độ rất thấp. Hoạt tính hấp thụ mạnh này cho phép MSH phát triển trong môi trường nghèo chất dinh dưỡng.

Các chất được hấp thụ qua MH không phải là hợp chất cụ thể, có nghĩa là không chỉ chất dinh dưỡng mà cả chất độc cũng có thể tích tụ trong MH. Các hợp chất như erythromycin, ethylsuccinate, acetaminophen và dược phẩm có tính axit, hormone steroid và hợp chất 4-nonylphenol đã được tìm thấy trong MSH. Đáng ngạc nhiên là ngay cả những chất không phân cực như benzen, toluen và xylen cũng tích tụ trên đế EPS. Tuy nhiên, chất nền EPS rất ưa nước và không liên kết rõ ràng với các vị trí liên kết của đuôi kỵ nước. Nếu các chất hấp phụ không bị phân hủy, chúng sẽ được giải phóng vào pha nước từ chất nền nếu có chênh lệch nồng độ so với nước, nếu không chúng sẽ ở lại trong màng sinh học cho đến khi phân hủy.

Vì thế, MSH hoạt động như một bồn rửa, nhưng cũng là một nguồn gây ô nhiễm. Đặc biệt, MOH phản ứng mạnh với các chất hấp phụ. Khi các tế bào bị phá vỡ, các mảnh vỡ của chúng được giữ lại trong ma trận để được “ăn thịt” tương tự như chất dinh dưỡng cho các tế bào sống sót. Mặc dù các hợp chất EPS khác tương đối khó bị phá vỡ và bị các tế bào chịu trách nhiệm bài tiết chúng vượt qua, nhưng các phân tử như vậy vẫn có thể được sử dụng như một nguồn dinh dưỡng. Vì tất cả hoặc gần như tất cả các thành phần MSH được lưu trữ trong ma trận, nên MSH đóng vai trò là bãi tái chế hiệu quả cao cho các mảnh vụn di động.

1. Hans-Curt Flemming, Wingender J., Szewzyk U., Steinberg P., Rice AS, Kjelleberg S. (2016), “”Màng sinh học: một dạng sống mới của vi khuẩn“, Tạp chí Nature Reviews Microbiology, 14(9), tr. 563-575.

2. Parsek M. R, Greenberg EP (2005),”Sociomicrobiology: liên kết giữa cảm biến đại biểu và màng sinh học“, Trends Microbiol, 13(1), tr. 27-33.

Tóm tắt của Nguyễn Thị Hường dịch và tổng hợp