Bên trong vi khuẩn, mọi thứ đều được sắp xếp có tổ chức

Như chúng ta đã biết, các tế bào nhân chuẩn được tổ chức một cách chặt chẽ và hoàn hảo – tất cả các thành phần quan trọng đều được đặt trong nhân, hoặc liên kết với các bào quan khác. Vậy còn vi khuẩn thì như thế nào? Làm thế nào để chúng giữ được tất cả bào chất mà không có bào quan? 

Gần đây, một bài báo ngắn được đăng trên tạp chí Current Opinion in Microbiology của hai tác giả Sutharsan Govindarajan và Orna Amster-Choder đã chỉ ra rằng các bộ phận bên trong tế bào vi khuẩn được tổ chức tốt một cách đáng ngạc nhiên.

Trong nhiều năm, người ta đã cho rằng, vi khuẩn chỉ là “cái túi nhỏ” chứa đầy vật liệu di truyền, protein và các phân tử khác. Các giả thiết cho rằng tất cả các thành phần trong vi khuẩn rời rạc, trôi nổi, không được tổ chức chặt chẽ và bố trí ngẫu nhiên trong tế bào. Tuy nhiên các nghiên cứu trong hai thập kỷ qua đã thay đổi hoàn toàn quan điểm này. Với sự phát triển của công nghệ hình ảnh và nhuộm màu protein, người ta đã xác định được rằng tế bào vi khuẩn thực ra là một tổ chức phức tạp và cực kỳ tinh vi với rất nhiều đại phân tử khác nhau như protein, RNAs, DNA, lipid… được bố trí tại các vị trí xác định trong tế bào.

Trong tế bào nhân thực, các bào chất được hệ thống màng chia thành từng khoang riêng biệt, các bào quan đều có màng bao bọc và chúng tương tác với nhau thông qua hệ thống màng. Còn trong tế bào vi khuẩn, các phân tử lắp ráp bên cạnh vô số các bào quan khác mà không có hệ thống màng ngăn cách (Hình bên dưới). Thú vị hơn, sự lắp ráp của các phân tử nhỏ này điều khiển các phản ứng sinh hóa, từ đó dẫn đến quá trình trao đổi chất.

Tổ chức bên trong tế bào vi khuẩn được nghiên cứu chủ yếu là vị trí của các protein. Các kết quả cho thấy, các protein được đặt tại các cực tế bào, giữa tế bào và chu vi xung quanh tế bào. Một kết quả quan trọng trong sinh học tế bào vi khuẩn là việc phát hiện ra sự tương tự giữa tế bào vi khuẩn và tế bào nhân thực: tế bào vi khuẩn cũng chứa cấu trúc khung tế bào (cytoskeletal) phức tạp như actin, tubulin, hay các sợi trung gian như protein. Những cấu trúc này tự lắp ráp và đóng một vai trò quan trọng trong việc tổ chức tế bào cũng như duy trì hình dạng tế bào.

Bên trong vi khuẩn được tổ chức chặt chẽ mặc dù không có các bào quan

Cực của tế bào – bộ não của vi khuẩn hình que

Các cực của tế bào vi khuẩn hình que có đặc điểm cấu trúc và sinh hóa khác biệt với các vùng khác của tế bào. Một kết luận quan trọng được công bố trong những năm gần đây coi các cực của tế bào là trung tâm của hệ thống cảm giác. Hệ thống cảm giác liên tục giám sát các tín hiệu môi trường và điều chỉnh hoạt động trong tế bào cho phù hợp, chúng có một vị trí xác định trong tế bào vi khuẩn. Với chức năng như vậy, cực tế bào có thể được coi là một bộ não nguyên thủy, cho phép tích hợp các thông tin ngoại bào và tạo các phản ứng nội bào tối ưu.

Hệ thống hoá hướng động là hệ thống cảm giác đầu tiên được chứng minh được đặt tại các cực tế bào. Hàng ngàn thụ thể hoá hướng động, sắp xếp thành một ma trận ở hai cực, có thể cảm nhận được một loạt các kích thích, bao gồm cả axit amin, đường, dipeptides, pH và nhiệt độ. Các thụ thể cảm nhận đồng thời các tín hiệu đầu vào khác nhau, tích hợp lại và tạo ra một tín hiệu phosphoryl hóa duy nhất. Một khả năng quan trọng của hệ thống hóa hướng động là khả năng “nhớ” tạm thời, nhờ đó có thể điều chỉnh phản ứng đầu ra phù hợp. Ngoài việc tích hợp các tín hiệu cảm giác, hệ thống hóa hướng động cũng liên lạc với hệ thống truyền tín hiệu khác, ví dụ như hệ thống vận chuyển gốc phospho (phosphotraferase PTS). PTS là trung tâm điều khiển sự hấp thụ các nguồn carbon và điều chỉnh sự trao đổi chất của tế bào cho phù hợp ở trong hầu hết các vi khuẩn bằng các cách như hạn chế và loại trừ các chất carbon dị hóa. Các thành phần chính của PTS được đặt tại các cực của tế bào vi khuẩn, và đã được xác định là để tương tác với các thành phần của hệ thống hóa hướng động nhằm điều chỉnh chức năng của nó.

Ví dụ, trong khuẩn E.coli, hệ thống hóa hướng động và hệ thống PTS được đặt tại hai cực của chúng. Cả hai hệ thống này điều chỉnh protein không phân cực qua một con thoi truyền tin nhỏ như Chey hoặc HPR. Vị trí của hai hệ thống này gần nhau sẽ tạo điều kiện cho việc trao đổi thông tin và cho phép tế bào phản ứng mạnh mẽ đến sự tác động của các yếu tố môi trường.

Protein khung - giữ cho mọi thành phần ở vị trí xác định

Trong tế bào vi khuẩn có rất nhiều protein khung thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như duy trì hình dạng tế bào, phân bào và vận chuyển protein. MreB là một protein khung quan trọng trong tế bào vi khuẩn. Chúng có nhiệm vụ quan trọng trong việc tổng hợp thành tế bào và duy trì hình dạng que cho vi khuẩn. Việc bố trí MreB ở mặt trong của màng tế bào giúp chúng vận chuyển chu chất (periplasmic còn gọi là protein tế bào chất) của protein penicillinbinding (PBPs) được tổng hợp tại vách của tế bào đến các vị trí khác. Trong khi các protein mới liên tục được xác định là “hàng hóa của MreB”, thì phương thức MreB thực hiện vai trò vận chuyển vẫn chưa được làm sáng tỏ. Các nghiên cứu trước đây đã cho rằng MreB có cấu trúc xoắn liên tục, tạo thành khung để các protein bám vào. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây sử dụng kính hiển vi có độ phân giải cao nhận thấy MreB là sợi ngắn, rời rạc, di chuyển tỏa tròn xung quanh chu vi tế bào và liên tục xoắn giống như cấu trúc đã được quan sát với kính có độ phân giải chưa cao. Mặc dù tầm quan trọng của MreB trong tổ chức tế bào đã được công nhận, nhưng cơ chế mà nó thực hiện chức năng vẫn còn bí ẩn và cần được nghiên cứu tiếp trong tương lai.

RNA — mảng mới trong việc xác định vị trí

Trong tất cả các đại phân tử được xác định ở những vị trí cụ thể, những nghiên cứu gần đây cho thấy các mRNA cũng được đặt tại các vị trí ít ngờ nhất. Mô tả đầu tiên đã chỉ ra rằng RNA được phân bố không đồng đều trong các tế bào vi khuẩn. Tuy vậy, các nghiên cứu tiếp theo đã không xác định được các vị trí của mRNA. Gần đây, nhóm nghiên cứu của Zhuang và các đồng nghiệp khi nghiên cứu quá trình phiên mã của khuẩn E.coli bằng cách giám sát vị trí của phân tử mRNA bằng kính hiển vi siêu phân giải đã phát hiện ra rằng, các mRNA ở cùng vị trí với các protein mà chúng mã hóa. Họ quan sát thấy mRNA mã hóa protein màng tế bào được tích lũy xung quanh chu vi tế bào, trong khi mRNA mã hóa periplasmic thì có ở khắp bào tương hoặc những vùng tế bào chất không chứa nucleoid. Vị trí cụ thể của các mRNA cũng đã được quan sát ở những loài vi khuẩn khác. Việc sử dụng kỹ thuật hình ảnh đơn phân tử tiên tiến, thiết kế nhằm theo dõi mRNA đang được sử dụng chắc chắn sẽ cũng cấp những hiểu biết đáng kể về vị trí của các mRNA trong vi khuẩn.  

Trong tế bào vi khuẩn – mọi thành phần đều được liên kết với nhau

Các thành phần trong tế bào vi khuẩn không hoàn toàn tách biệt mà kết nối với nhau thông qua một mạng lưới các tương tác phức tạp. Các protein kết nối hoạt động giống như một giàn giáo, liên kết nhiều hệ thống với nhau, hay các protein ánh trăng (moonligh protein) được các hệ thống sử dụng chung. Cấu trúc mạng này đem lại hai ưu điểm chính: đầu tiên là sức mạnh thông tin, khi có thay đổi trong tổ chức hay hoạt động của một thành phần nào đó trong tế bào thì sẽ được nhanh chóng thông báo cho các hệ thống khác; hai là tính an toàn, có nhiều mối liên hệ giữa hai hệ thống vì vậy việc kết nối mạng được an toàn ngay cả khi một số thành phần bị thiếu hoặc mất đi trong quá trình tiến hóa.

Những hiểu biết về cách tổ chức trong tế bào vi khuẩn đã tiến bộ hơn nhiều so với trước đây, gợi ra những hướng đi mới trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học tế bào vi sinh vật. Với những công nghệ cao hiện có và cách tiếp cận di truyền ở vi khuẩn đã thu hút các nhà sinh học hệ thống và các nhà vật lý nhằm khám phá ra khía cạnh cơ bản của tổ chức tế bào vi khuẩn. Trong khi một số vấn đề đã được giải đáp thì vẫn còn một số câu hỏi quan trọng trong việc tổ chức tế bào của vi khuẩn vẫn cần được giải quyết trong tương lai như: Làm thế nào mà các cực của tế bào được thiết lập? Các cực tế bào có tổ chức như thế nào? Tại sao nhiều protein khác không tương tác với MreB? Các nghiên cứu về vị trí của RNA trong vi khuẩn mới chỉ bắt đầu và chưa có thông tin về cơ chế của quá trình này. Trên thực tế, lĩnh vực này tương đối mới ở cả sinh vật nhân chuẩn, vì vậy có nhiều câu hỏi mở ra liên quan đến toàn bộ sự sống như: bản chất RNA mã hóa là gì? Tại sao chỉ mỗi mRNA có vị trí thay đổi, còn các RNA thì không? iRNA có đóng vai trò trong việc định vị RNA hay không? Để giải quyết được các câu hỏi này cần sự cải tiến liên tục các công cụ kính hiển vi huỳnh quang trong tương lai.

Tài liệu tham khảo:

Sutharsan Govindarajan, Orna Amster-Choder,  Where are things inside a bacterial cell? Current Opinion in Microbiology, Volume 33, Issue null, Pages 83-90.

Lược dịch Nguyễn Thị Hoài