Tài liệu Vi sinh học phần 3 ppt

Bài 5 Cổ khuẩn(Archaea)

Phân loại cổ khuẩn

Mở đầu

Những vi sinh vật có khả năng sinh methane (mêtan), mẫn cảm với

oxygen và có cấu trúc màng tế bào đặc biệt đã được biết đến từ lâu

nhưng mãi đến cuối những năm 1970 chúng mới được nhìn nhận như

đại diện của một dạng sống thứ ba trên trái đất bên cạnh vi khuẩn và

sinh vật nhân thật, đó là cổ khuẩn. Carl R. Woese và cộng sự (1977)

sau khi xem xét trình tự 16S rARN nhận thấy rằng các sinh vật nhân

nguyên thuỷ (Prokaryote) cần được chia thành hai nhóm khác biệt

nhau hoàn toàn là Vi khuẩn (Eubacteria hay Bacteria) và Cổ khuẩn

(Archaeabacteria hay Archaea), và cùng với các Sinh vật nhân thật

(Eukarya) làm thành ba lĩnh giới (Domains) ở sinh vật (Hình 1). Các

nghiên cứu sâu hơn về phả hệ và đặc điểm sinh lý sinh hoá cho thấy

rằng cổ khuẩn được tách ra từ rất sớm trong quá trình tiến hoá, chúng

không gần vi khuẩn nhiều hơn so với sinh vật nhân thật, do vậy tên

gọi Archaea được đề xuất thay cho Archaeabacteria. Hiện nay cả hai

tên gọi Archaea và Archaeabacteria đều được sử dụng trong các tài liệu vi sinh vật, tuy nhiên thuật

ngữ Archaea chính xác hơn vì rõ ràng cổ khuẩn không phải vi khuẩn mà là một nhóm vi sinh vật

riêng biệt.

Hình 1. Ba lĩnh giới của sinh vật: Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn (Archaea) và Sinh vật nhân thật

(Eukarya).

Cổ khuẩn là một nhóm vi sinh vật đặc biệt

Cổ khuẩn (Archaea) bắt nguồn từ tiếng La tinh Archaios có nghĩa là cổ, là một nhóm vi sinh vật có

nhiều đặc điểm rất khác biệt (Bảng 1).

Bảng 1. Những đặc điểm khác biệt của cổ khuẩn so với vi khuẩn và sinh vật nhân thật

Đặc điểm Vi khuẩn

(Bacteria)

Cổ khuẩn(Archaea)

Sinh vật nhân thật

(Eukarya)

Thành tế bào Peptidoglycan

Pseudo-peptidoglycan,

protein, polysaccharid,

glycoprotein

cellulose, carbonat,

silicat, chitin…

Màng tế bào Este-lipid Ete-lipid Este-lipid

ARN polymeraza (trên

khuôn ADN)

Chỉ có một loại

4 đơn vị 2’

Có nhiều loại

7  12 đơn vị

Có ba loại

7  12 đơn vị

Ribosom 70 S 70 S 80 S

Phản ứng của ribosom

với độc tố bạch hầu Đề kháng Mẫn cảm Mẫn cảm

Cũng như tế bào vi khuẩn, tế bào cổ khuẩn (ngoại trừ chi Thermoplasma) có thành tế bào

bên ngoài giữ chức năng bảo vệ. Tuy nhiên, không như ở vi khuẩn, thành tế bào của cổ khuẩn

không chứa peptidoglycan và vì thế không bị phá huỷ dưới tác dụng của lysozym. Cổ khuẩn có rất

nhiều dạng cấu trúc thành tế bào khác nhau. Một số cổ khuẩn (như các loài sinh methane) có thành

tế bào cấu tạo bởi một loại polysaccharid rất giống với peptidoglycan được gọi là pseudo￾peptidoglycan (pseudomurein). Chuỗi pseudo-peptidoglycan gồm các đơn nguyên N-acetyl￾glucosamin và N-acetyl-alosamin-uronic acid (thay cho N-acetyl-muramic acid trong

peptidoglycan). Ngoài ra, ở đây cầu nối glycosid 13 thay thế cho cầu nối glycosid 14 ở

peptidoglycan. Một số cổ khuẩn khác lại hoàn toàn không có cả peptidoglycan và pseudo￾peptidoglycan trong thành tế bào mà thay vào đó là hỗn hợp gồm polysaccharid, glycoprotein hoặc

protein. Ví dụ như các loài Methanosarcina (cổ khuẩn sinh methane) có thành tế bào là một lớp

polysaccharid dày cấu tạo từ glucoza, glucuronic acid, galactosamin và acetat. Các loài cổ khuẩn ưa

mặn cực đoan (extreme halophiles) như là Halococcus có thành tế bào tương tự như

Methanosarcina nhưng chứa nhiều hợp chất có nhóm sulfat giống như chondroitin sulfat ở tổ chức

liên kết của động vật. Dạng cấu trúc thành tế bào phổ biến nhất ở cổ khuẩn là lớp paracrystallin bề

mặt (S-layer) gồm protein hay glycoprotein. Cấu trúc này được tìm thấy ở các đại diện thuộc tất cả

các nhóm cổ khuẩn, từ ưa mặn cực đoan (extremely halophilic), ưa nhiệt cực đoan (extremely

thermophilic) và cả các loài sinh methane. Đặc biệt các chi Methanospirillum và Methanothrix (cổ

khuẩn sinh methane) có cấu trúc thành tế bào vô cùng phức tạp. Các loài thuộc hai chi này mọc

thành chuỗi dài gồm nhiều tế bào, ở giữa mỗi cặp tế bào có một lớp đệm dày và toàn bộ cấu trúc

chuỗi đó lại được bọc kín trong một lớp paracrystallin bề mặt.

Thành phần và cấu trúc lipid của màng tế

bào là một trong những đặc điểm nổi bật phân biệt

cổ khuẩn và hai nhóm còn lại. Trong khi ở vi khuẩn

và sinh vật nhân thật cầu nối acid béoglycerol

trong lipid màng tế bào là liên kết este (ester) thì ở

cổ khuẩn lại là liên kết ete (ether) (Hình 2). Acid

béo trong este-lipid thường là các phân tử ngắn,

mạch thẳng. Trái lại, acid béo trong ete-lipid là các

phân tử mạch dài, phân nhánh, thuộc cả hai dạng

phytanyl (C20cacbuahydro tổng hợp từ isopren) và

biphytanyl (C40). Do chỉ có ở cổ khuẩn và không bị

biến đổi dưới nhiệt độ cao nên isopren-lipid được

lấy làm chất chỉ thị của cổ khuẩn hoá thạch.

Enzyme polymeraza thực hiện quá trình sao

mã trên khuôn ADN (DNA-dependent RNA

polymerase) ở ba lĩnh giới sinh vật cũng có nhiều

điểm khác nhau. Vi khuẩn chỉ có một loại ARN￾polymeraza có cấu trúc không gian đơn giản, gồm

bốn chuỗi polypeptid 2, 1, 1’ và một nhân tố 

không cố định. Cổ khuẩn có nhiều loại ARN￾polymeraza, cấu trúc mỗi loại lại phức tạp hơn

nhiều so với ARN-polymeraza vi khuẩn. ARN￾polymeraza của cổ khuẩn sinh methane và các loài

ưa mặn (halophilic) gồm tám chuỗi polypeptid (5

chuỗi dài và 3 chuỗi ngắn). ARN-polymeraza ở cổ

khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-thermophilic) lại phức

tạp hơn, gồm ít nhất 10 chuỗi peptid. Polymeraza

thực hiện quá trình tổng hợp ARN thông tin (mARN) ở sinh vật nhân thật gồm 10-12 chuỗi

polypeptid có kích thước tương tự như ở ARN-polymeraza của cổ khuẩn ưa nhiệt cao. Ngoài ra,

sinh vật nhân thật còn có hai loại ARN-polymeraza khác nữa đặc hiệu cho quá trình tổng hợp ARN

của ribosom (rARN) và ARN vận chuyển (tARN). Như vậy chất kháng sinh rifampicin có tác dụng

ức chế đơn vị  của polymeraza chỉ có hiệu quả đối với vi khuẩn vì cổ khuẩn và sinh vật nhân thật

không có loại polymeraza này.

Với những điểm khác biệt trong trình tự 16S rARN cũng như cấu trúc ARN-polymeraza,

hiển nhiên bộ máy sinh tổng hợp protein của ba lĩnh giới sinh vật cũng sẽ không đồng nhất. Tuy có

kích thước của ribosom giống với vi khuẩn (70S) nhưng cổ khuẩn lại có nhiều bước trong quá trình

sinh tổng hợp protein rất giống với sinh vật nhân thật (80S ribosom). Nhiều chất kháng sinh ức chế

quá trình sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn lại không có hiệu lực đối với cổ khuẩn và sinh vật nhân

thật (Bảng 2). Ngoài ra, tương tự như ở sinh vật nhân thật, nhân tố kéo dài EF-2 trong ribosom ở cổ

khuẩn có phản ứng với độc tố bạch hầu, một loại độc tố vô hại đối với vi khuẩn. Tuy nhiên nhân tố

EF-2 ở cổ khuẩn mang tính đặc hiệu cao, nhân tố này hoàn toàn không hoạt động trong môi trường

ribosom của vi khuẩn hoặc sinh vật nhân thật. Các thí nghiệm lai ribosom in vitro cho thấy ribosom

ghép giữa đơn vị lớn (50S) của cổ khuẩn và đơn vị nhỏ (40S) của sinh vật nhân thật vẫn thức hiện

chức năng giải mã một cách bình thường, trong khi đó việc ghép tương tự giữa vi khuẩn và sinh vật

nhân thật lại hoàn toàn không tương thích. Như vậy cấu trúc bộ máy sinh tổng hợp protein của cổ

khuẩn có nhiều điểm tương đồng với sinh vật nhân thật hơn là với vi khuẩn.

Hình 2. Lipid trong màng tế bào của cổ

khuẩn (ete-lipid) khác với của vi khuẩn và

sinh vật nhân thật (este-lipid)

Giống như vi khuẩn, cổ khuẩn có một nhiễm sắc thể dạng vòng, tuy nhiên genom của cổ

khuẩn thường nhỏ hơn nhiều so với genom của vi khuẩn. Chẳng hạn ADN của Escherichia coli là

2,5 x 109 Da, trong khi đó ADN của Thermoplasma acidophilum là 0,8 x 109 Da, hay của

Methanobacterium là 1,1 x 109 Da. Ngoài ra thành phần GC (mol%) của ADN ở cổ khuẩn dao động

trong phạm vi rất lớn, từ 21 đến 68 %, chứng tỏ tính đa dạng của cổ khuẩn. So sánh trình tự đầy đủ

của genom ở cổ khuẩn Methanococcus jannaschi với genom của vi khuẩn và sinh vật nhân thật cho

thấy 56% trong 1738 gen không tương đồng.

Bảng 2. Tính mẫn cảm của đại diện ba lĩnh giới sinh vật đối với các chất ức chế quá trình

sinh tổng hợp protein

Chất kháng

sinh

Tác dụng ức chế

Cổ khuẩn Vi khuẩn Sinh vật nhân

thật

Methano￾bacterium

Sulfo￾lobus

Escheri￾chia coli

Saccharomyces

cerevisae

Cycloheximid Ức chế bước khởi

đầu

   +

Virginiamycin,

pulvomycin

Ức chế bước kéo

dài

+  + 

Neomycin,

puromycin

Dừng tổng hợp

sớm

+ + + +

Rifamycin Ức chế enzyme

ARN polymeraza

  + 

Erythromycin,

streptomycin,

chloramfenicol

Tăng tần số mắc

lỗi và một số hiệu

ứng khác

  + 

Các hình thức dinh dưỡng ở cổ khuẩn

Cổ khuẩn có nhiều hình thức dinh dưỡng: hoá dưỡng hữu cơ (chemoorganotrophy), hoá dưỡng vô

cơ (chemolithotrophy), tự dưỡng (autotrophy), hay quang hợp (phototrophy). Hoá dưỡng hữu cơ là

hình thức dinh dưỡng của nhiều loài cổ khuẩn, tuy nhiên các chu trình phân giải chất hữu cơ thường

có một số điểm khác biệt so với vi khuẩn. Cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) và ưa nhiệt cực đoan

(extreme thermophiles) phân giải glucoza theo một dạng cải biên của con đường Entner-Doudoroff

(E-D). Nhiều loài cổ khuẩn lại có khả năng sản sinh ra glucoza từ các chất ban đầu không phải là

hydratcarbo (gluconeogenesis) thông qua các bước đảo ngược của quá trình glycolysis (con đường

Embden-Meyerhof). Oxygen hoá acetat thành CO2 được thực hiện qua chu trình TCA (đôi khi với

một số thay đổi trong các bước phản ứng), hoặc qua con đường acetyl-CoA (Ljungdahl-Wood). Các

thành phần của chuỗi vận chuyển điện tử như ở vi khuẩn đều được tìm thấy ở cổ khuẩn, trong đó

cytochroma, b và c có ở các loài ưa mặn cực đại, cytochroma có ở một số loài ưa nhiệt cao.

Mô phỏng dựa trên chuỗi chuyển điện tử ở phần lớn cổ khuẩn cho thấy chúng thu nạp điện tử từ

chất cho vào chuỗi ở nấc thang NADH, oxygen hoá chất nhận điện tử cuối cùng là O2, S0

hay một

số chất khác, đồng thời tạo ra lực đẩy proton (proton motiv force) để tổng hợp ATP nhờ bộ máy

ATPaza khư trú trong màng tế bào. Hoá dưỡng vô cơ khá phổ biến ở cổ khuẩn, trong đó hydro

thường được sử dụng làm chất cho điện tử.

Tự dưỡng đặc biệt phổ biến ở cổ khuẩn và diễn ra dưới nhiều hình thức khác nhau. Ở cổ

khuẩn sinh methane và cổ khuẩn hoá dưỡng vô cơ ưa nhiệt cao CO2 được chuyển hoá thành các hợp

chất hữu cơ qua con đường acetyl-CoA, trong đó một số loài có cải biên ở các bước phản ứng khác

nhau. Một số loài cổ khuẩn khác (như Thermoproteus) cố định CO2 theo chu trình citric acid đảo

ngược, tương tự như ở vi khuẩn lam lưu huỳnh. Mặc dù các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cực đoan đều

thực hiện hình thức dinh dưỡng hữu cơ nhưng nhiều loài vẫn có khả năng cố định CO2 và thực hiện

quá trình này theo chu trình Calvin, tương tự như ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật.

Khả năng quang hợp có ở một số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan, tuy nhiên khác với vi khuẩn,

quá trình này được thực hiện hoàn toàn không có sự tham gia của chlorophill hay

bacteriochlorophill mà nhờ một loại protein ở màng tế bào là bacteriorhodopsin kết gắn với phân tử

tương tự như carotenoid có khả năng hấp phụ ánh sáng, xúc tác cho quá trình chuyển proton qua

màng nguyên sinh chất và sử dụng để tổng hợp ATP. Tuy nhiên, bằng hình thức quang hợp này cổ

khuẩn ưa mặn cực đoan chỉ có thể sinh trưởng với tốc độ thấp trong điều kiện kỵ khí, khi môi

trường thiếu chất dinh dưỡng hữu cơ.

Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự

sống trên trái đất

Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường có điều kiện cực đoan

(extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá (psychrophilic), nồng độ muối cao

(halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) v.v. Đó cũng là một lý do giải thích tại sao cổ khuẩn lại

khó được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trong giới sinh vật, cổ khuẩn có

các đại diện cư trú ở các điều kiện nhiệt độ cao hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều loài có thể sống ở

nhiệt độ trên 100 C dưới áp suất cao như ở các miệng núi lửa dưới đáy đại dương. Cơ chế thích

nghi của tế bào vi sinh vật với nhiệt độ cao như vậy còn đang được nghiên cứu. Ở cổ khuẩn, một số

phương thức thích nghi với nhiệt độ cao được biết đến như tác dụng của enzyme gyraza trong việc

bảo vệ cấu trúc xoắn của ADN dưới tác động của nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C40-lipid trong màng

tế bào của cổ khuẩn, giúp làm tăng đô bền vững của màng. Tuy nhiên cổ khuẩn không chỉ sống ở

các môi trường cực đoan. Ngoài đại dương cổ khuẩn tồn tại với một số lượng lớn. Trên đất liền các

loài cổ khuẩn sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều môi trường khác nhau, như các bể lên men chất

thải hữu cơ, các chân ruộng lúa ngập nước, đường tiêu hoá của động vật v.v.