- Probiotic là gì?
Hệ tiêu hóa của người và động vật là ngôi nhà của rất nhiều vi sinh vật, nhất là vi khuẩn và nấm men. Trong đường ruột của chúng ta có tới một vạn tỷ (1014) vi sinh vật, gấp 10 lần số tế bào của cơ thể người. Các vi sinh vật này không nhìn được bằng mắt thường nhưng thực tế chúng sống xung quanh và bên trong cơ thể chúng ta. Chúng có trong nước uống, thức ăn và không khí hít thở hàng ngày. Tuy nhiên, chúng ta không phải lo lắng vì có tới 95% số vi sinh vật này là có lợi cho sức khỏe con người.
Các vi sinh vật sống trong hệ tiêu hóa động vật hình thành nên hệ vi sinh đường ruột, bao gồm nhiều nhóm khác nhau của vi khuẩn, nấm men và nấm mốc. Trong số này, các vi khuẩn có lợi cho sức khỏe động vật được gọi là probiotic, còn các vi khuẩn gây bệnh hoặc gây ra các triệu chứng có thể dẫn tới bệnh được gọi là vi khuẩn có hại. Như vậy, sự cân bằng giữa vi khuẩn có lợi và có hại là rất cần thiết cho sức khỏe của người và động vật. Các vi sinh vật sống trong hệ đường ruột phải cạnh tranh với nhau về không gian và nguồn sống để tồn tại, sinh trưởng và sinh sản. Hệ đường ruột là môi trường lý tưởng về nhiệt độ, độ ẩm và nguồn thức ăn cho các vi sinh vật này. Ai sẽ chiến thắng trong cuộc chiến sinh tồn này: probiotic – kẻ tốt – có tác động hữu ích lên sức khỏe động vật hay là vi khuẩn gây bệnh – kẻ xấu – gây ra những tác động có hại?
Vậy probiotic là gì? Thuật ngữ probiotic bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ bao gồm hai từ pro và biotica có nghĩa là “cho sự sống”. Trong tiếng Việt, probiotic còn được gọi dưới các tên khác nhau như “trợ sinh”, “chế phẩm vi sinh”, “vi sinh vật có lợi” hoặc “vi sinh vật hiệu quả”. Ý tưởng sử dụng vi khuẩn có lợi đã được Metnhicoff đưa ra từ năm 1907. Tuy nhiên, định nghĩa về probiotic thì mãi sau này mới được hình thành và thay đổi theo lịch sử phát triển.
Các định nghĩa về probiotic của các tác giả tuy có khác nhau nhưng cùng thống nhất về vai trò có lợi của vi khuẩn probiotic đối với sức khỏe vật chủ thông qua khả năng tái lập cân bằng hệ vi sinh đường ruột giữa các vi sinh vật có lợi và vi sinh vật có hại. Nhưng do còn nhiều quan niệm khác biệt cho nên Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO) đã lập một hội đồng chuyên gia để định nghĩa về probiotic vào năm 2001. Theo đó, “probiotic là các vi sinh vật sống khi được bổ sung một lượng vừa đủ sẽ có tác động hữu ích lên sức khỏe vật chủ”. Định nghĩa này được chấp nhận rộng rãi cho đến ngày nay.
Các probiotic có những tác động hữu ích gì đối với cơ thể động vật? Trước tiên, chúng ta hãy xem xét hệ vi sinh vật đường ruột như một thể thống nhất. Các vi sinh vật probiotic có thể giúp cơ thể vật chủ tăng cường tiêu hóa và hấp thu dinh dưỡng, tăng khả năng đáp ứng miễn dịch, …Các probiotic có thể sản sinh vitamin nhất là vitamin B – đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất. Chúng còn có thể ức chế sinh trưởng của các vi khuẩn có hại, thông qua khả năng tiết các chất kháng khuẩn khác nhau, giúp ngăn ngừa bệnh tật. Một ví dụ điển hình là các vi khuẩn lactic có khả năng sản sinh acid lactic làm giảm pH của đường ruột, do vậy ức chế sinh trưởng của các vi sinh vật có hại. Những tác dụng có lợi khác của vi khuẩn probiotic bao gồm hoạt động cạnh tranh dinh dưỡng và không gian sống với vi khuẩn gây bệnh. Suy cho cùng, probiotic giúp duy trì một hệ vi sinh đường ruột khỏe mạnh của cơ thể vật chủ.
- Probiotic có lợi gì với sức khỏe động vật và con người?
Hoạt tính có lợi của vi sinh vật probiotic thể hiện thông qua 5 cơ chế hoạt động chính của chúng, bao gồm: cơ chế loại trừ cạnh tranh, cơ chế sản sinh các chất kháng vi sinh vật (acid hữu cơ, H2O2, CO2, bacteriocin, reuterin, các chất kháng vi sinh vật khác), cơ chế điều hòa miễn dịch, cơ chế sản sinh enzyme và các sản phẩm trao đổi chất khác, và cơ chế dập tắt cảm biến mật độ tới hạn (quorum quenching).
Việc tăng cường khả năng chống xâm nhập và tác dụng ức chế trực tiếp đối với các vi khuẩn gây bệnh là hai nhân tố quan trọng giúp cho probiotic làm giảm sự ảnh hưởng cũng như thời gian nhiễm bệnh của các vi khuẩn gây bệnh. Các chủng probiotic thể hiện khả năng ức chế vi khuẩn gây bệnh trong cả các thử nghiệm in vitro và in vivo thông qua một số cơ chế khác nhau. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về probiotic được công bố trong hơn một thập kỷ qua nhưng do những giới hạn về phương pháp và giới hạn về đạo đức của việc nghiên cứu trên động vật việc tìm hiểu cơ chế tác động của probiotic gặp nhiều khó khăn, hoặc chỉ có thể tìm hiểu và giải thích được từng phần.
2.1. Loại trừ cạnh tranh
Trong sinh thái học, nguyên lý loại trừ cạnh tranh (competitive exclusion), hay còn gọi là định luật Gause, cho rằng hai loài cạnh tranh vì cùng một nguồn sống thì không thể cùng tồn tại nếu các yếu tố sinh thái khác là không đổi. Khi một trong hai loài có những lợi thế nhỏ thì sau đó có thể chiếm ưu thế trong dài hạn. Một trong hai đối thủ cạnh tranh sẽ luôn phải vượt qua đối thủ còn lại, dẫn đến sự loại trừ của một trong hai đối thủ cạnh tranh này hoặc dẫn tới một sự thay đổi tiến hóa hoặc tập tính để chuyển hướng sang một ổ sinh thái khác nhằm giảm áp lực cạnh tranh.
Đối với vi sinh vật probiotic trong hệ vi sinh vật đường ruột, nguyên lý này được thể hiện rõ nhất ở khả năng cạnh tranh vị trí bám dính hoặc chất dinh dưỡng và khả năng loại trừ các vi sinh vật gây bệnh.
Vì vậy, trước hết vi sinh vật (có lợi hay có hại) muốn phát triển được trong đường ruột vật chủ thì phải có khả năng bám dính vào thành ruột (chất nhầy hoặc niêm mạc ruột) nhờ khả năng liên kết với các thụ thể trên thành ruột. Quá trình bám dính vào thành ruột giúp vi sinh vật không bị rửa trôi ra khỏi đường ruột bởi tác động của nhu động ruột, nhờ đó chúng có khả năng tồn tại và phát triển trong đường ruột, và cuối cùng mới có thể gây ra những tác động đối với cơ thể vật chủ. Khả năng bám dính của mỗi loài vi sinh vật là nhờ các yếu tố bám dính (có bản chất là protein hoặc polysaccharide) nằm trên màng tế bào, trong đó các thành phần: protein thành tế bào, polysaccharide, acid lipoteichoic đóng vai trò quyết định.
Các yếu tố bám dính có bản chất protein được chia thành hai nhóm: nhóm có nhung mao (fimbria) và nhóm không có nhung mao. Các nhung mao là các sợi lông mảnh và ngắn trên bề mặt vi khuẩn. Các nhung mao được cấu tạo bởi nhiều protein xếp chặt với nhau tạo nên hình dạng giống như trụ xoắn ốc. Đỉnh của các nhung mao có chức năng gắn với tế bào vật chủ. Các vi khuẩn Gram âm thường bám dính nhờ các nhung mao này (như E. coli gây viêm dạ dày ruột và nhiễm khuẩn tiết niệu). Các yếu tố bám dính không có nhung mao dùng để chỉ các protein có chức năng bám dính nhưng không tạo thành cấu trúc chuyên biệt như nhung mao. Các yếu tố bám dính không có nhung mao thường điều khiển quá trình tiếp xúc mật thiết với tế bào vật chủ, tuy nhiên quá trình này chỉ xảy ra ở một nhóm nhỏ các loại tế bào nhất định nếu so với khả năng gắn được với rất nhiều loại tế bào khác nhau của nhung mao. Ví dụ, các vi khuẩn Gram âm (Yersinia pseudotuberculosis, E coli gây bệnh đường ruột, Neisseria), các vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus, Streptococcus) và vi khuẩn Mycobacterium là những tác nhân gây bệnh có yếu tố bám dính không có nhung mao.
Các yếu tố bám dính bản chất polysaccharide thường là thành phần cấu tạo của màng tế bào, thành tế bào và vỏ vi khuẩn. Acid teichoic trong thành tế bào của vi khuẩn có tác dụng như là một yếu tố bám dính của Staphylococcus và Streptococcus. Các polysaccharide (glucan và mannan) trong lớp vỏ của Mycobacterium cũng được các thụ thể (thụ thể bổ thể 3 và thụ thể mannose) của vật chủ nhận diện, nhờ đó làm tăng tính bám dính của các tác nhân này. Các tương tác giữa thụ thể và phối tử nhằm tăng cường khả năng bám dính có thể chia thành hai nhóm chính: tương tác protein – protein và protein – carbohydrate. Ngoài ra, các vi sinh vật thường sử dụng rất nhiều thụ thể khác nhau của tế bào vật chủ.
Khả năng bám dính của các tế bào probiotic trong chất nhầy ruột và các tế bào biểu mô từ lâu đã được xem là một trong những tiêu chí quan trọng nhất trong việc lựa chọn vi khuẩn probiotic. Khả năng bám dính của các chủng probiotic phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản thân vi khuẩn probiotic, pH của đường ruột, các enzyme tiêu hóa trong đường ruột, sự có mặt của muối mật… Ngoài ra độ tuổi của vật chủ và trạng thái sinh lý cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng bám dính. Những cơ thể vật chủ non và thể trạng khỏe mạnh thì khả năng bám dính của vi khuẩn probiotic cũng tốt hơn.
Nhờ khả năng bám dính trên thành ruột nên probiotic có thể cạnh tranh vị trí bám dính của vi khuẩn gây bệnh trên thành ruột. Vi khuẩn probiotic liên kết với các thụ thể trên thành ruột làm giảm số lượng thụ thể tự do trên thành ruột, đồng thời chúng còn tạo nên hàng rào ngăn cản sự xâm nhập của các vi khuẩn gây bệnh, từ đó ngăn cản sự khu trú và phát triển của các vi khuẩn gây bệnh.
Người ta đã chứng minh khả năng bám dính và phát triển trên bề mặt ruột của Lactobacillus rhamnosus GG và Lactobacillus plantarum 299V để ngăn cản sự phát triển và lây lan của vi khuẩn E. coli O157:H7 gây bệnh tiêu chảy ở người và động vật nuôi. Một số vi khuẩn thuộc chi Lactobacillus cũng được biết có thể khóa các thụ thể bề mặt trong đường ruột nhằm hạn chế sự bám dính của các vi sinh vật gây bệnh khác.
Hơn nữa, probiotic còn có khả năng cạnh tranh chất dinh dưỡng, chẳng hạn như sự hấp thụ các monosaccarit của các vi sinh vật probiotic có thể làm giảm sự phát triển của Clostridium difficile gây ra bệnh tiêu chảy trên vật nuôi bởi vì sự phát triển của Clostridium difficile phụ thuộc vào các monosaccarit này.
Ngoài ra, probiotic còn có khả năng kết hợp với vi khuẩn gây bệnh theo kiểu đồng keo tụ, chúng kết dính với nhau tạo thành chùm và từ đó có khả năng loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh nếu nồng độ các vi khuẩn probiotic đủ lớn. Các nghiên cứu cho thấy, một số chủng probiotic thương mại có thể đồng keo tụ với một số loài gây bệnh như Bacteroides vulgatus, Clostridium histolyticum và Staphylococcus aureus. Đây là cơ sở quan trọng giúp chúng ta có thể tuyển chọn sơ bộ một chủng probiotic phù hợp.
Khả năng bám dính được coi như là một trong đặc tính quan trọng của vi khuẩn probiotic. Một số phương pháp khác nhau đã được sử dụng để đánh giá khả năng bám dính của probiotic, phổ biến nhất là đánh giá khả năng kết dính với tế bào niêm mạc ruột và chất nhầy ruột. Thông thường trong các nghiên cứu in vitro, để đánh giá xem một chủng probiotic có khả năng bám dính vào thành ruột vật chủ hay không, người ta thường thử nghiệm khả năng sinh trưởng của chúng trên dịch nhày niêm mạc ruột.
2.2 Sản sinh các chất kháng vi sinh vật
Khả năng ức chế, tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh của probiotic (đặc biệt là các loài vi khuẩn lactic) đã được biết đến từ rất lâu. Hầu hết các thực phẩm lên men (sữa chua, rau quả muối chua, nem chua…) chứa rất nhiều vi khuẩn probiotic, được công nhận là an toàn do được lên men bởi vi khuẩn lactic. Cơ sở khoa học của quá trình bảo quản này là các quá trình lên men lactic, lên men ethanol… Các quá trình này tạo ra một môi trường pH thấp và hàng loạt các chất kháng khuẩn khác nhau.
Ngày nay, cơ chế sản sinh các chất kháng vi sinh vật của vi khuẩn probiotic đã được làm sáng tỏ. Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng probiotic có khả năng sản sinh hàng loạt các chất ức chế như acid hữu cơ, H2O2, CO2, bacteriocin, các hợp chất kháng khuẩn phân tử lượng thấp, và một số hợp chất khác. Các chất này được sinh ra bên trong đường ruột và bên ngoài môi trường nuôi sẽ có tác dụng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn gây bệnh khác.
– Acid hữu cơ
Acid hữu cơ được tạo nên bởi hầu hết các vi khuẩn probiotic thông qua quá trình lên men đường hexose. Các acid hữu cơ được hình thành phụ thuộc vào các chủng giống vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy. Các chủng vi khuẩn lactic lên men đồng hình có khả năng sử dụng đường theo con đường đường phân để tạo ra hai phân tử acid lactic từ một phân tử glucose. Các chủng vi khuẩn lactic lên men dị hình có khả năng tạo ra acid lactic, ethanol, acid acetic, acid propionic, CO2. Các acid hữu cơ như acid acetic, acid propionic có các giá trị Pka thấp hơn, có khả năng ức chế mạnh hơn acid latic và có khả năng ức chế nhiều loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc. Các acid hữu cơ là loại acid yếu, ít phân ly nên dễ dàng thấm qua màng tế bào của vi khuẩn, gây bệnh qua lớp phospholipid, dẫn đến làm thay đổi pH của nguyên sinh chất và gradien H+ là nguyên nhân gây ức chế vi khuẩn, cuối cùng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn.
Các acid hữu cơ được biết có khả năng ức chế rất nhiều loài vi khuẩn gây bệnh như: S. aureus, E. coli, Salmonella…
– H2O2
Khi có mặt của enzyme FAD oxydase và O2, vi khuẩn có khả năng sản sinh ra H2O2. Các chủng vi khuẩn lactic tạo H2O2 trong điều kiện kỵ khí trên môi trường chứa glucose. Khả năng kháng khuẩn của H2O2 nhờ vào khả năng oxy hóa mạnh thành tế bào vi khuẩn. Trong điều kiện tự nhiên, khả năng này được tăng cường nhờ sự có mặt của hệ enzyme lactoperoxidase sẽ tạo nên hypothiocyanate (OSCN–) hoặc oxyacid cao hơn (O2SCN– và O3SCN–). Tác động của những oxyacid này sẽ phá hủy các enzyme trao đổi chất của vi khuẩn, chẳng hạn như glyceraldehyte-3-phosphate dehydrogenase hoặc phá hủy thành tế bào vi khuẩn.
– CO2
CO2 là sản phẩm chính của quá trình lên men lactic dị hình. Một số vi khuẩn lactic có thể tạo CO2 từ malate và citrate, quá trình trao đổi chất arginine qua con đường khử amin của arginine và quá trình khử carboxyl của một số acid amin như histidine, tyrosine. CO2 có thể tạo ra môi trường yếm khí, nhờ đó có khả năng gây ức chế đối với các vi khuẩn hiếu khí. Khả năng ức chế vi khuẩn của CO2 có được nhờ vào khả năng ức chế các enzyme decarboxylase và khả năng tích lũy CO2 trong lớp phospholipid và làm rối loạn tính thấm của màng tế bào. CO2 có khả năng ức chế nhiều vi khuẩn đặc biệt là các vi khuẩn Gram âm. Tác dụng ức chế vi khuẩn của CO2 đã được ứng dụng trong thương mại cho nhiều sản phẩm đông lạnh bằng việc bao gói sản phẩm trong môi trường chứa CO2.
– Bacteriocin
Bacteriocin là những hợp chất kháng khuẩn có bản chất là các protein được tổng hợp ở chủng vi khuẩn này có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế sinh trưởng đối với một số hoặc nhiều loại vi khuẩn khác. Chúng thuộc vào nhóm protein đồng thể, có phổ tác dụng, cơ chế, khối lượng phân tử, nguồn gốc di truyền, và tính chất sinh hóa khác nhau. Trong nhiều tài liệu thì bacteriocin thường bị nhầm lẫn với kháng sinh, nhưng chúng khác kháng sinh ở một số điểm: được tổng hợp ở ribosom; tế bào chủ miễn dịch với chúng do có khả năng tạo các protein miễn dịch; cơ chế tác dụng của bacteriocin và kháng sinh khác nhau và phổ diệt khuẩn của bacteriocin thường hẹp hơn. Thông thường bacteriocin được sản xuất bởi các vi khuẩn Gram âm có phổ tác dụng rộng hơn so với bacteriocin được tạo ra từ vi khuẩn Gram dương. Bacteriocin tạo ra từ vi khuẩn Gram dương, chủ yếu là vi khuẩn lactic có khả năng ức chế các chủng tương tự hoặc có quan hệ tiến hóa gần gũi. Bacteriocin sản xuất bởi vi khuẩn lactic được chia thành 4 lớp chính: (I) Lantibiotic, (II) Bacteriocin bền nhiệt mạch ngắn (< 10 kDa), (III) Bacteriocin không bền nhiệt mạch dài (> 30 kDa) và (IV) Bacteriocin phức tạp có chứa lipid và carbohydrate. Nhưng những thông tin liên quan đến việc phân loại này chủ yếu được sử dụng cho việc tinh sạch bacteriocin.
Bacteriocin từ vi khuẩn lactic được sử dụng như những chất bảo quản tự nhiên trong thực phẩm và như một hoạt chất tiết của vi khuẩn probiotic. Với những mục đích này thì người ta thường tuyển chọn và sử dụng các bacteriocin có phổ kháng khuẩn tương đối rộng, ức chế nhiều nhóm vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên nhiều bacteriocin từ vi khuẩn lactic có phổ kháng khuẩn hẹp và hầu hết không có tác dụng đối với vi khuẩn Gram âm. Do vậy việc kết hợp bacteriocin với các cơ chế bảo quản khác sẽ làm tăng khả năng ức chế các vi khuẩn Gram âm. Đối với ứng dụng như một hoạt chất tiết của vi khuẩn probiotic, bacteriocin phải giữ được hoạt tính trong đường ruột, đây là một điểm hạn chế đối với các bacteriocin có bản chất protein tự nhiên. Ví dụ nhiều nghiên cứu cho thấy nisin, một loại bacteriocin lớp (I) đã được thương mại hóa, được tạo ra bởi vi khuẩn Lactococcus lactis bị suy thoái hoặc bị mất hoạt tính trong môi trường đường ruột dưới tác dụng của pH thấp và các enzyme tiêu hóa.
– Các hợp chất kháng khuẩn phân tử lượng thấp
Reuterin là chất kháng khuẩn phân tử lượng thấp được tạo thành bởi vi khuẩn probiotic đã được nghiên cứu chuyên sâu nhất. Reuterin được tạo thành bởi một số chủng Lactobacillus, là một chất ức khuẩn mạnh trong đường ruột người và động vật. Reuterin được hình thành trong pha cân bằng của quá trình sinh trưởng kỵ khí trên môi trường hỗn hợp glucose và glycerol hoặc glyceraldehyde. Trong suốt pha sinh trưởng logarit, reuterin không được tạo ra do giảm khả năng trao đổi glucose. Chỉ đến khi tế bào đạt đến pha cân bằng thì reuterin mới được tổng hợp. Hơn thế nữa reuterin được tổng hợp khi tiếp xúc với tế bào mục tiêu. Reuterin có phổ kháng khuẩn rộng đối với cả vi khuẩn Gram dương và vi khuẩn Gram – như nấm men, nấm mốc và động vật nguyên sinh. Phổ kháng khuẩn rộng được giải thích nhờ khả năng ức chế enzyme ribonucleotide reductase, do đó can thiệp vào quá trình tổng hợp DNA.
– Các chất kháng vi sinh vật khác
Vi khuẩn probiotic cũng có khả năng sản sinh các chất kháng khuẩn khác như diacetyl, acetaldehyde và ethanol. Diacetyl là sản phẩm của quá trình trao đổi citrate và kết quả tạo nên mùi hương cho bơ. Vi khuẩn Gram âm nhạy cảm với diacetyl hơn vi khuẩn Gram dương, có thể là do diacetyl can thiệp vào quá trình sử dụng arginine. Do nồng độ của các chất này tạo ra thấp nên tác động kháng khuẩn cũng không nhiều. Acetaldehyde hình thành trong quá trình lên men dị hình carbohydrate của vi khuẩn lactic. Acetaldehyde đem lại mùi hương đặc trưng cho sữa chua.
Một số vi khuẩn probiotic có khả năng kháng virus, mặc dù cơ chế kháng của chúng hiện chưa được làm rõ. Các thí nghiệm in vivo đã chỉ ra rằng một số các hợp chất hóa học và sinh học như dịch chiết tảo biển và vi khuẩn có thể làm bất hoạt virus. Một số chủng Pseudomonas, Vibrio, Aeromonas được phân lập từ các trại nuôi cá hồi cho thấy hoạt tính kháng trên 50% virus IHNV (infectious hematopoetic necrosis virus). Hai chủng Vibrio khác (NICA 1030 và NICA 1031) được phân lập từ ao nuôi tôm sú đã thể hiện hoạt tính kháng virus IHNV và OMV (oncorhynchus masou virus) với tỷ lệ chết lần lượt là 62 và 99%. Trong một thí nghiệm khác, vi khuẩn biển Moraxella có khả năng kháng đặc hiệu cao với nhóm poliovirus.
2.3 Điều hòa miễn dịch
Hệ miễn dịch trong ruột rất quan trọng cho cơ thể. Có đến 70 – 80% các tế bào miễn dịch của toàn cơ thể phát triển và hoạt động trong ruột, gồm các lympho bào B và T, đại thực bào, bạch cầu đa nhân, các tương bào tiết IgA. Cho nên, việc nuôi dưỡng và kích thích các tế bào miễn dịch tại màng ruột hoạt động bình thường góp phần quan trọng trong điều hòa miễn dịch của cơ thể.
Vi khuẩn đường ruột có ảnh hưởng rất lớn đến chức năng bảo vệ niêm mạc ruột và đường ruột trưởng thành, và cần thiết cho phát triển đầy đủ mô bạch huyết của cơ thể,… Kết quả nghiên cứu trên chuột đã cho thấy vi khuẩn đầu tiên định cư trong ruột của chuột sơ sinh (vi khuẩn tiên phong) có thể điều chỉnh biểu hiện gen trong tế bào biểu mô đường ruột của vật chủ. Điều này dẫn đến hệ vi môi trường đường ruột bị thay đổi và ảnh hưởng đến quá trình định cư tự nhiên sau này. Quá trình định cư ban đầu của vi sinh vật đường ruột ở chuột sơ sinh cũng rất quan trọng trong việc kích thích sự phát triển bình thường của hệ miễn dịch. Sự vắng mặt hoặc sự có mặt không đầy đủ của các tác nhân vi sinh vật ban đầu đã được chứng minh là gây ra các khuyết tật trong hàng rào chức năng đường ruột, làm giảm phản ứng viêm, bị lỗi phản ứng IgA. Độ sai lệch miễn dịch này có thể được sửa chữa bằng cách phục hồi hệ vi sinh vật đường ruột, nhưng chỉ khi điều này xảy ra trong thời kỳ sơ sinh.
Những kết quả trên cho thấy sự phơi nhiễm sớm của vi khuẩn và một hệ vi sinh đường ruột khỏe mạnh quyết định đến việc cung cấp các kích thích và phát triển hệ miễn dịch tự nhiên trên vật chủ.
Vi khuẩn probiotic tăng cường đáp ứng miễn dịch tự nhiên bằng cách kích thích miễn dịch niêm mạc. Ví dụ, vi khuẩn Lactobacillus có khả năng hoạt hóa đại thực bào, kích thích hình thành bạch cầu, tăng tổng hợp IgA, và tăng khả năng tổng hợp interferon gamma. Vi khuẩn probiotic đáp ứng miễn dịch chống dị ứng kích thích tổng hợp IgA đặc hiệu ở niêm mạc ruột thông qua việc phục hồi hệ vi sinh vật bình thường, gây tác động biến đổi các yếu tố tăng trưởng beta và sự sản sinh IL-10 cũng như các cytokine kích thích sản xuất kháng thể IgE. IL-10 là chất do tế bào TH2 sinh ra do tác động lên đại thực bào gây ức chế sự sinh sản cytokine và do đó gián tiếp làm giảm sự sinh sản tế bào cytokine của tế bào TH1.
Trong điều hòa miễn dịch, vi khuẩn probiotic biến đổi gen làm tăng cường hiệu quả kích thích miễn dịch. Năm 2005, Grangette và cộng sự phát triển một chủng L. platarum NCIMB8826 đột biến Dlt, tức là có tỷ lệ D-alanine thấp hơn trong acid teichoic ở thành tế bào vi khuẩn. Chủng đột biến Dlt này giúp cải thiện sức khỏe ở chuột bị bệnh viêm đại tràng khi làm tăng đáng kể sự tiết IL-10.
Mối tương tác giữa vi khuẩn hội sinh và vi khuẩn gây bệnh với hệ thống miễn dịch đường ruột là trung tâm của việc duy trì nội cân bằng miễn dịch. Các tế bào biểu mô ruột và tế bào tua (tế bào đuôi gai) là những tế bào đầu tiên của hệ thống miễn dịch niêm mạc mà vi khuẩn hội sinh và vi khuẩn gây bệnh bắt gặp. Các vi sinh vật này được nhận biết bởi các thụ thể nhận biết hình mẫu (PRR, pattern regconition receptor) của mô lympho ruột. Các thụ thể này có khả năng nhận biết các hình mẫu phân tử bảo tồn của các vi khuẩn gây bệnh. Điều thú vị là các hình mẫu phân tử bảo tồn này không chỉ có mặt ở vi khuẩn gây bệnh mà còn có mặt ở tất cả các lớp vi khuẩn, bao gồm các vi khuẩn hội sinh và ở các virus nữa.
2.4 Sản sinh enzyme và các sản phẩm trao đổi chất khác
Các vi sinh vật probiotic có thể giúp con người và động vật chủ tiêu hóa tốt hơn và tăng cường hấp thu các chất dinh dưỡng, làm giảm hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) bằng cách tiết ra một số enzyme tiêu hóa và các sản phẩm trao đổi chất khác. Chúng có thể tiết amylase, lipase và protease và tăng cường hoạt động của enzyme tiêu hóa của người và động vật. Chẳng hạn, một thử nghiệm trên cá chép bột cho thấy khi cho cá uống 200 – 300 mg chế phẩm probiotic Bacillus licheniformis trong mỗi kilogam thức ăn có thể làm tăng hoạt động của enzyme tiêu hóa, tăng khả năng tăng trưởng của cá. Ngoài ra, các vi sinh vật probiotic còn có thể sản sinh các vitamin, nhất là các loại vitamin B. Nhiều ví dụ cụ thể sẽ được trình bày trong các chương 7 và 8.
2.5 Dập tắt cảm biến mật độ tới hạn (quorum quenching)
Cảm biến mật độ tới hạn (quorum sensing) là một trong những cơ chế giao tiếp chính giữa các tế bào vi khuẩn trong một quần thể. Hình thức đơn giản nhất là việc giải phóng ra các hợp chất hóa học đặc trưng mà dựa vào nó tế bào vi khuẩn có thể dò tìm và nhận biết được đồng loại. Nói cách khác, cảm biến mật độ tới hạn là cơ chế vi khuẩn điều khiển gen liên quan đến mật độ quần thể bằng cách tạo ra (producing), phóng thích (releasing) và dò tìm (detecting) các phân tử tín hiệu; là tiến trình các tế bào vi khuẩn thông tin liên lạc với nhau bằng các phân tử tín hiệu. Có một số hợp chất đã được nghiên cứu, chúng được gọi là chất tự cảm ứng (autoinducer) do bản thân các vi khuẩn tổng hợp nên. Có 5 loại hợp chất chính trong hệ thống cảm biến mật độ tới hạn của vi khuẩn bao gồm oligopeptid, N-Acyl homoserine lactone (N-AHL), quinolone, g-butyrolactone và furanone. Hầu hết các tín hiệu cảm biến mật độ tới hạn là các sản phẩm trao đổi chất thứ cấp, đa dạng và rất nhiều chất chưa được nghiên cứu.
Ở các vi khuẩn Gram dương, các phân tử cảm biến mật độ tới hạn thường là các oligopeptid. Chúng được tìm thấy trong tế bào như các tiền peptid. Chúng bất hoạt cho đến khi được tách ra từ quá trình tiết ở màng tế bào và một số trường hợp các peptid đã bị biến đổi. Các phân tử tín hiệu được giải phóng ra khỏi tế bào và khuếch tán vào môi trường, được tiếp nhận bởi các tế bào bên cạnh bằng hai hệ thống. Các peptid tín hiệu kết hợp với histidine kinase trên màng tế bào và tác động đến hoạt động của nó, kết quả là tạo ra quá trình phosphoril hóa. Quá trình phosphoril hóa kích thích quá trình sao chép gen đích.
Con đường thứ hai của cơ chế này là sử dụng phân tử N-AHL, được tìm thấy chỉ có ở vi khuẩn Gram âm. Mô hình đầu tiên được nghiên cứu là vi khuẩn Vibrio fischeri, là loài vi khuẩn có khả phát sáng khi ở mật độ cao. Trong vi khuẩn này, gen luxl mã hóa một enzyme xúc tác quá trình tổng hợp N-3-(oxohexanoyl) homoserine lactone autoinducer (3-OC6-AHL). Ở nồng độ cao, N-AHL kết hợp với protein điều hòa phiên mã LuxR (do gen luxR mã hóa), chất có khả năng liên kết với promoter lux, kết quả là tạo ra sự phát sáng. Hiện nay N-AHL đã được tìm thấy ở trên 50 loài vi khuẩn Gram âm khác nhau, chẳng hạn, ở vi khuẩn V. harveyi. Những nghiên cứu mới đây cũng cho thấy một kiểu tín hiệu tương tự N-AHL là Aryl-homoserin lactone được tìm thấy ở vi khuẩn quang tự dưỡng Rhodopseudomonas palustris.
Hệ thống LuxS/autoinducer-2 (AI-2) với trung gian là các gốc furanone. Furanone có nhiều loại từ những loại không bền như 4,5 dihydroxy- 2,3 pentanedione được tạo ra bởi LuxS. LuxS/AI-2 được tìm thấy ở cả vi khuẩn Gram dương vả Gram âm. Đây là một phân tử tín hiệu phổ biến ở nhiều loại vi khuẩn. Những nghiên cứu cũng cho thấy các chất nhận của AI-2 đối với V.harveyi và Salmonella enterica là typhimurium kết hợp với các đồng phân lập thể dạng S và R của 2-methyl-2,3,3,4 tetrahydroxytetrahydrofuran. Vì quá trình tổng hợp AI-2 liên quan đến con đường trao đổi chất trung tâm nên vai trò của hệ thống tín hiệu LuxS/Ai-2 vẫn còn đang tranh cãi. Thay vào đó AI-2 có thể là chất được hấp thụ và thể hiện được mật độ tế bào ngay lập tức trong môi trường. Trong các loài Streptomyces thì chất tự cảm ứng là g-butyrolactone điều khiển nhiều quá trình khác nhau, bao gồm quá trình sản sinh kháng sinh và hình thành sợi nấm.
Nhờ cảm biến mật độ tới hạn, vi khuẩn có thể kích hoạt các gen mã hóa các quá trình khác nhau như tạo màng sinh học, tạo bào tử, phát sáng, sản xuất kháng sinh, tiết ra các độc tố,… Trong tự nhiên, để cạnh tranh, đặc tính cảm biến mật độ tới hạn của một loài vi khuẩn này có thể bị các loài vi khuẩn khác triệt tiêu hoặc khống chế. Vì vậy, việc sử dụng các chủng vi khuẩn probiotic có khả năng dập tắt cảm biến mật độ tới hạn (quorum quenching – QQ) của các vi khuẩn loài gây bệnh, sẽ có ý nghĩa rất lớn.
Các chủng vi khuẩn có khả năng làm suy giảm hoặc làm bất hoạt N-AHL của tác nhân gây bệnh, hoặc có khả năng tích lũy poly-β-hydroxybutyrate (PHB), làm ức chế sự phát triển của tác nhân gây bệnh có thể trở thành vi khuẩn probiotic. Ví dụ, một nghiên cứu mới đây đã phân lập được từ ruột cá một loài vi khuẩn mới Flaviramulus ichthyoenteri thuộc họ Flavobacteriaceae với khả năng dập tắt cảm biến mật độ tới hạn mạnh. Những phân tích hệ gen cũng cho thấy vi khuẩn này có khả năng sản sinh enzyme QQ, sử dụng nhiều chất dinh dưỡng trong hệ đường ruột cũng như sản sinh các loại enzyme tiêu hóa và vitamin; vì vậy có triển vọng rất tốt làm probiotic dùng trong nuôi trồng thủy sản.
(Nguồn: Công nghệ probiotic (2015). NGUYỄN VĂN DUY (Chủ biên), LÊ ĐÌNH ĐỨC, NGUYỄN THỊ KIM CÚC, PHẠM THU THỦY, LÊ PHƯƠNG CHUNG. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội)
BioOne 