Vi khuẩn thuộc nhóm sinh vật đơn bào có kích thước siêu nhỏ và có sức phát triển mạnh mẽ trong nhiều môi trường khác nhau. Khi nhắc đến chúng người ta thường cho rằng đây là loài gây hại thế nhưng có nhiều lợi khuẩn rất cần cho sự sống con người.
1. Vi khuẩn là gì?
Vi khuẩn hay còn gọi là vi trùng, đây là loại vi sinh vật nhân sơ đơn bào siêu nhỏ trong đó có nhiều loại thuộc nhóm ký sinh trùng. Chúng thuộc nhóm sinh vật đơn bào, không là thực vật cũng không là động vật với kích thước hiển vi. Chúng có cấu trúc tế bào không phức tạp, có bộ khung tế bào, nhân tế bào và những bào quan giống ty thể và lục lạp.
Đây là nhóm có số lượng cực kì đông đảo trong sinh giới. Chúng có mặt khắp nơi trong đất, nguồn nước hay bên trong những sinh vật khác, thậm chí có trong chất thải phóng xạ. Đây là loài sinh vật có mặt trước tiên trên trái đất vào khoảng 4 tỷ năm về trước.
Vi khuẩn được xem là loài vi sinh vật có số dân đông đảo nhất trong sinh giới
Mảnh hóa thạch cổ nhất được đánh giá là của loài sinh vật giống với vi trùng. Cứ 1g đất thường có khoảng 40 triệu tế bào vi trùng. 1ml nước ngọt thường có đến 1 triệu các tế bào vi khuẩn. Trái đất được dự đoán có ít nhất 5 tỷ vi trùng và đa phần sinh khối của trái đất được cho rằng tạo nên từ loài này.
Khi nói đến vi khuẩn, người ta thường cho rằng chúng là loài vi sinh vật có hại thế nhưng nhiều loại được sử dụng với nhiều lợi ích cần thiết cho con người. Chúng hỗ trợ dưới nhiều dạng sống, thực vật và động vật. Ngoài ra, chúng còn được dùng trong những quy trình công nghiệp và dược phẩm.
2. Dinh dưỡng của vi khuẩn
Vi khuẩn sinh sống theo nhiều cách khác nhau, cụ thể:
-
Loại dị dưỡng: chúng thu thập năng lượng bằng cách hấp thụ cacbon hữu cơ. Đa số, chúng hấp thu từ các vật chất hữu cơ chế, cụ thể như phân hủy thịt.
-
Loại tự dưỡng: chúng sẽ tự tạo ra món ăn riêng cho chúng bằng cách quang hợp, dùng ánh nắng mặt trời, nước và khí CO2. Ngoài ra, chúng sẽ tổng hợp hóa học, dùng CO2, nước,… các loại hóa chất như amoniac, khí nitơ, lưu huỳnh,…
Loài vi khuẩn tự dưỡng sẽ tự tạo ra thức ăn riêng cho mình
-
Loại quang dưỡng: chúng sử dụng cách quang hợp. Những loại như vi khuẩn lam, chúng tạo ra oxy và có vai trò quan trọng chính là tạo nên oxy cho bầu khí quyển.
-
Loại hóa dưỡng: chúng thu thập năng lượng từ những tổng hợp hóa học.
3. Thế nào là vi khuẩn có lợi?
Nhiều loài vi khuẩn có trong cơ thể con người góp phần vào việc duy trì sự sống cho con người. Vi trùng có trong hệ tiêu hóa hỗ trợ con người hấp thụ các dưỡng chất ví dụ như đường phức tạp sẽ được lợi khuẩn chuyển hóa thành những dạng cơ thể sử dụng được.
Lợi khuẩn có khả năng hỗ trợ cho hệ tiêu hóa con người bằng cách chuyển hóa chất dinh dưỡng thu được
Ngoài ra, một số loài giúp phòng ngừa bệnh tật bằng cách xâm chiếm những vị trí mà hại khuẩn gây bệnh muốn bám vào. Chúng còn giúp bảo vệ con người khỏi bệnh tật bằng việc tấn công vào những mầm bệnh.
Số lượng các tế bào vi trùng nhiều gấp 10 lần so với những tế bào có trong cơ thể con người. Một số loài có lối sống cộng sinh hay “thân thiện”, chia sẻ nơi sinh sống và nguồn tài nguyên bên trong cơ thể chúng ta mà không gây hại đến vật chủ mà còn đem lại sức khỏe tốt.
Theo nhiều nghiên cứu cho thấy rằng ruột là nơi được tìm thấy vi sinh vật có số lượng lớn nhất. Ruột người được cho là một môi trường sống tốt cho các loài vi trùng với nhiều dưỡng chất có sẵn. Trên tạp chí Gastroenterology tại Mỹ, tác giả đã thông tin rằng vi trùng đường ruột và một số vi sinh vật khác như E.Coli và Streptococcus đem lại nhiều lợi ích cho con người.
Chúng hỗ trợ cho hoạt động tiêu hóa, ngăn ngừa sự xâm chiếm của các mầm bệnh có hại, hỗ trợ cho hệ miễn dịch. Cụ thể, một bệnh nhân mang bệnh Crohn gia tăng phản ứng miễn dịch chống lại những vi khuẩn đường ruột, theo 1 đánh giá được đưa ra vào năm 2003 trên tạp chí The Lancet.
Bên cạnh lợi ích dành cho con người, lợi khuẩn còn phục vụ cho nhiều lĩnh vực quan trọng khác.
Đối với ngành công nghệ thực phẩm, những vi khuẩn như acid lactic là Lactobacillus và Lactococcus kết hợp nấm men, nấm mốc,… được dùng để sản xuất thực phẩm như phô mai, nước tương, giấm, sữa chua.
Sữa chua có sự tham gia sản xuất của các lợi khuẩn
Ngoài ra, một số loại vi trùng có khả năng phá vỡ những hợp chất hữu cơ, điều này rất có lợi cho hoạt động xử lý chất thải, chất độc hại, làm sạch vấn nạn dầu tràn trên biển,… Những ngành công nghiệp như dược phẩm và hóa chất cũng lựa chọn vi trùng cho việc sản xuất một số loại hóa chất.
Vi trùng được dùng trong sinh học phân tử, trong sinh hóa và các nghiên cứu về di truyền do chúng có khả năng phát triển nhanh chóng và dễ dàng thao tác. Những nhà khoa học sử dụng chúng cho việc nghiên cứu quá trình hoạt động của gen và enzym. Lợi khuẩn cũng là nhân tố quan trọng để điều chế thuốc kháng sinh.
4. Vi khuẩn có hại là gì?
Bên cạnh những lợi ích kể trên thì đa phần vi trùng là loài vi sinh vật gây hại cho con người bởi chúng có khả năng gây bệnh và làm lây lan dịch bệnh. Trên cơ thể con người không có cơ quan nào mà hại khuẩn không thể tấn công. Một vài hại khuẩn có thể đem đến mầm bệnh cho con người, cụ thể như bệnh tả, bệnh bạch hầu, bệnh kiết lỵ, dịch hạch hay viêm phổi, bệnh lao,…
Nếu cơ thể chúng ta tiếp xúc với những loại vi trùng nhưng cơ thể nhận biết được đó là có hại thì hệ miễn dịch sẽ tiến hành tấn công chúng. Những phản ứng này có thể gây ra nhiều biểu hiện như sưng, viêm mà mắt thường có thể quan sát được như vết thương bị nhiễm trùng.
Hại khuẩn có thể tấn công con người nhờ có nội và ngoại độc tố có trong chúng. Để kháng lại sự xâm nhập của hại khuẩn, con người đã chế tạo ra nhiều loại thuốc kháng sinh. Đây là thuốc được dùng cho việc chữa trị nhiễm khuẩn. Thế nhưng, nhiều năm gần đây con người dần sử dụng thuốc kháng sinh sai cách và không cần thiết dẫn đến việc thúc đẩy sự lây lan của những chủng kháng kháng sinh.
Việc lạm dụng thuốc kháng sinh dẫn đến việc lây lan chủng kháng kháng sinh
Đối với trường hợp này, vi trùng truyền nhiễm không còn nhạy cảm đối với kháng sinh hiệu quả như trước đây. Chính vì thế mà nhiều nhà khoa học và các cơ quan y tế ra sức khuyến cáo bác sĩ không nên lạm dụng thuốc kháng sinh, chỉ khi nào thật sự cần thiết. Thay vào đó hướng dẫn người dân thực hiện nhiều phương pháp khác giúp phòng bệnh như giữ vệ sinh an toàn thực phẩm, vệ sinh cơ thể sạch sẽ, tiêm phòng,…
Kết luận, không phải tất cả các loài vi khuẩn đều gây hại cho con người mà một số loài đem lại lợi ích cho chúng ta. Việc tìm hiểu kỹ về các loại vi trùng cũng là 1 cách để bảo vệ sức khỏe của chính chúng ta.
Sự kết hợp giữa sinh học và công nghệ mang lại những lợi ích to lớn cho con người, đặc biệt là trong y học, thậm chí còn dùng để tái tạo khuôn mặt tội phạm. Dưới đây là một số ứng dụng điểm nhấn kể từ khi ADN được ra đời.
Vài nét về ADN
Theo Bách khoa thư mở, ADN gọi theo từ viết tắt tiếng Pháp Acide désoxyribonucléique hoặc DNA, theo từ viết tắt tiếng Anh Deoxyribonucleic acid. Đây là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng, phát triển, chuyên hóa chức năng và sinh sản của các sinh vật và nhiều loài virút. DNA và RNA là những axít nucleic, cùng với protein, lipid và những cacbohydrat cao phân tử [polysaccharide], chúng tạo nên bốn đại phân tử chính đóng vai trò thiết yếu đối với mọi dạng sống từng được biết đến. Phần lớn các phân tử DNA được cấu tạo từ hai mạch polyme sinh học xoắn đều quanh một trục tưởng tượng tạo thành chuỗi xoắn kép.
ADN lưu trữ thông tin sinh học, các mã di truyền đến các thế hệ tiếp theo và để chỉ dẫn cho quá trình sinh tổng hợp protein. ADN ở tế bào nhân thực [động vật, thực vật, nấm và nguyên sinh vật] được lưu trữ bên trong nhân tế bào và một số bào quan, như ty thể hoặc lục lạp. Ngược lại, ở sinh vật nhân sơ [vi khuẩn và vi khuẩn cổ], do không có nhân tế bào, ADN nằm trong tế bào chất. Bên trong tế bào, ADN tổ chức thành những cấu trúc dài gọi là nhiễm sắc thể. Trong giai đoạn phân bào các nhiễm sắc thể hình thành được nhân đôi bằng cơ chế nhân đôi ADN, mang lại cho mỗi tế bào có một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh như nhau. Ở nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực, những protein chất nhiễm sắc như histone giúp thắt chặt và tổ chức cấu trúc ADA. Cấu trúc thắt chặt này sẽ quản lý sự tương tác giữa ADA với các protein khác, quy định vùng nào của ADN sẽ được phiên mã.
ADN được cô lập được lần đầu tiên vào năm 1869 bởi Friedrich Miescher. Francis Crick và James Watson nhận ra cấu trúc phân tử chuỗi xoắn kép của nó vào năm 1953, dựa trên mô hình xây dựng từ dữ liệu thu thập qua ảnh chụp nhiễu xạ tia X do Rosalind Franklin thực hiện. DNA trở thành một công cụ phân tử giúp các nhà nghiên cứu khám phá các lý thuyết và định luật vật lý sinh học, như định lý ergodic và lý thuyết đàn hồi. Những tính chất vật liệu độc đáo của DNA biến nó trở thành phân tử hữu ích đối với các nhà khoa học vật liệu quan tâm trong lĩnh vực chế tạo vật liệu cỡ micro và nano, như trong công nghệ nano DNA.
Một số ứng dụng kể từ khi ADN được phát hiện
Đánh cắp gen:
Một sinh vật lạ dưới nước có tên Gấu nước [tardigrade] gần đây đã được các khoa học nghiên cứu, phát hiện thấy chúng có những đặc tính di truyền kỳ bí. Sau khi hệ gen của gấu nước được lập, khoa học khám phá ra nhiều khả năng siêu nhiên của sinh vật này. Động vật không xương sống cực nhỏ này có thể tồn tại trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt như trong nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi, áp suất cực lớn đến mức không thể tin nổi, hoặc trong điều kiện bức xạ, thậm chí cả trong môi trường không có thức ăn và nước uống, gấu nước vẫn sống khỏe tới một thập kỷ. Qua nghiên cứu, khoa học phát hiện thấy, sở dĩ gấu nước có các đặc tính kỳ lạ này là do nó có khả năng đánh cắp gen từ các dạng sống khác. Động vật và con người trải qua quá trình này, được gọi là quá trình chuyển gen ngang, chủ yếu là nhờ virút. Hầu hết các loài có 1% ADN ngoại lai trong khi gấu nước lại có chứa tới 17,5%.
Gấu nước là tên gọi phổ biến của loài động vật tardigrada, sinh vật nhỏ bé, sống trong nước, thuộc nhóm các động vật có kích thước hiển vi tám chân, một phần của siêu ngành Ecdysozoa, được tìm thấy các đây 530 triệu năm, vào kỷ Cambri. Ước tính có tới 6.000 gen được đánh cắp từ vi khuẩn, nấm, nấm, cây trồng và sinh vật đơn bào. Gấu nước có cơ chế sống sót khi chúng tự khô. Cấu trúc ADN đặc biệt của gấu nước giúp chúng tự sinh tồn, ví dụ khi khô cằn hạn hán, hệ gen gấu nước tự tái cấu trúc, hấp thụ các sinh vật nhỏ hơn để giúp chúng tồn tại. Cơ chế này truyền cho các thế hệ tiếp theo, giúp hậu duệ gấu nước trường tồn trong những môi trường khắc nghiệt và cực đoan. Nhờ phát hiện nói trên, giúp con người hiểu sâu hơn về sự tiến hoá và thừa kế di truyền của các sinh vật sống.
Kem chống nắng từ ADN của tinh trùng cá hồi:
Tin vui cho nhóm người tôn thờ ánh nắng mặt trời, tương lai họ không còn phải lo về nguy cơ tổn hại về da do các tia cực tím trong ánh nắng mặt trời gây ra, đặc biệt là nguy cơ phá hủy ADN, phát sinh ung thư.
Năm 2017, các nhà khoa học đã nghiên cứu, cho ra đời một loại kem chống nắng từ ADN tinh trùng cá hồi, có khả năng hấp thụ tia cực tím, giống như làn da thứ hai bảo vệ cho con người. Nhờ sản phẩm đặc biệt nói trên mà ánh nắng mặt trời còn sót lại sẽ có tác dụng kích hoạt cơ thể theo chiều tích cực, giúp con người nhận được nhiều vitamin D hơn. Loại kem này tạo ra lớp bảo vệ da, nên có thể tắm nắng nhiều giờ mà không phải lo mất nước, giảm độ ẩm cơ thể và nhiều hệ lụy khác.
Theo các chuyên gia ở ĐH Hokkaido, Nhật Bản, ADN từ tinh trùng cá hồi được xem là một bộ lọc độc tố rất hữu ích. ADN trong tinh dịch của cá hồi là phân tử xoắn kép dài có chứa thông tin di truyền. Bên cạnh việc giữ vai trò dẫn truyền năng lượng và liên thông giữa các tế bà, ADN còn hỗ trợ trong việc thực hiện chức năng enzyme trong cơ thể cũng như sửa chữa và tái tạo các tế bào trong cơ thể. Đây là sản phẩm được phụ nữ Nhật Bản ưa chuộng. Ứng dụng loại kem này có thể pha thêm nước và ethanol. Vật liệu không màu này cũng có thể được sử dụng để băng vết thương khẩn cấp hoặc vết thương thông thường. Tinh thể kết tinh của kem nói trên còn cho phép các bác sĩ theo dõi tiến độ phục hồi vết thương mà không phải mở lớp băng ra.
Ứng dụng ADN trong chỉnh sửa gen:
Trong nỗ lực nhằm chữa bệnh rối loạn máu nguy hiểm, năm 2017, các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra phôi người trong phòng thí nghiệm. Đây là dự án liên quan đến phôi nhân bản và mô lấy từ một bệnh nhân mắc bệnh beta-thalassemia. Giống như nhiều bệnh di truyền khác, thiếu máu beta-thalassemia là căn bệnh do trục trặc trong base DNA của con người. Mã di truyền của con người bao gồm 4 base đại phân tử là adenine, cytosine, guanine, và thymine [A, C, G, và T]. Chúng chứa toàn bộ hướng dẫn sử dụng cho việc hình thành con người và vận hành cơ thể.
Nếu một đại phân tử này bất thường, được gọi là đột biến điểm có thể liên quan đến 2/3 các bệnh di truyền. Để tìm ra đột biến điểm cho bệnh beta-thalassemia, các nhà khoa học đã quét 3 tỉ “chữ viết” của mã di truyền con người để tìm nguyên nhân.
Cuối cùng, hóa ra đột biến điểm nằm ở đại phân tử G là thủ phạm. Một kỹ thuật có tên biên tập đại phân tử thay thế đột biến này bằng đại phân tử A và cuối cùng đã chữa được căn bệnh đầu tiên nới trên ở cấp độ ADN. Trong tương lai, hệ thống biên tập cơ sở [chỉnh sửa ADN] sẽ mang lại kết quả tích cực trong việc điều trị các bệnh nan y di truyền khác