Mở đầu về cổ khuẩn

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

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 β1－3 thay thế cho cầu nối glycosid β1－4 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.

Hình 2.    Lipid trong màng tế bào của cổ khuẩn (ete-lipid) khác với của vi khuẩn và sinh vật nhân thật (este-lipid)

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 2α, 1β, 1β’ và một nhân tố σ 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 β 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.

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