Màng Sinh Học Nacurgo

Năm 1972,Singơ(Singer) và Nicolson (Nicolson) đã đưa ra mô hình cấu tạo màng sinh chất được gọi là mô hình khảm động. Theo mô hình này, màng sinh chất có cấu tạo gồm 2 thành phần chính là phôtpholipit và prôtêin. Ngoài ra, ở các tế bào động vật và người, màng sinh chất còn có nhiều phân tử colestêron làm tăng độ ổn định của màng sinh chất. Các prôtêin của màng tế bào có tác dụng như những kênh vận chuyển các chất ra vào tế bào cũng như các thụ thể tiếp nhận các thông tin từ bên ngoài. Có thể nói, màng sinh chất như bộ mặt của tế bào và các thành phần của màng sinh chất như prôtêin, glicôlipit và glicôprôtêin làm nhiệm vụ như các giác quan (thụ thể), cửa ngõ (kênh) và những dấu chuẩn nhận biết đặc trưng cho từng loại tế bào (hình 10.2).

Thành phần và quá trình hình thành màng sinh học

Cấu trúc của màng sinh học trong tự nhiên gồm hai thành phần chính là các tập hợp tế bào vi sinh vật và mạng lưới các chất ngoại bào (Extracellular Polymeric Substances - EPS). Các tế bào của một hay nhiều loài vi sinh vật khác nhau, bám dính trên bề mặt nhất định (có thể là hữu sinh hay vô sinh). Các  tế bào liên kết với nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào.

Bảng 1: Thành phần của màng sinh học:

Có thể nói màng sinh học là dạng sống khá phổ biến của nhiều loài vi sinh vật. Mạng lưới các chất ngoại bào (EPS) bao quanh các tế bào, tạo nên cấu trúc đặc trưng cho biofilm. Mạng lưới ngoại bào có độ dày từ 0,2 đến 1 µm. Ở một vài loài vi khuẩn độ dày của lớp EPS mỏng hơn nằm trong khoảng từ 10 đến 30 nm.

Mạng lưới các chất ngoại bào có vai trò quy định sự sắp xếp tế bào đồng thời tạo nên những kênh dẫn truyền nước bên trong biofilm nhờ đó mà các chất dinh dưỡng cũng như nước có thể lưu thông trong biofilm tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất dinh dưỡng đến khắp các tế bào vi sinh vật trong biofilm cũng như loại bỏ đi những chất thải không cần thiết.

Về cơ bản màng sinh học được cấu tạo gồm rất nhiều tế bào của cùng một loài hay từ các loài vi sinh vật khác, khối lượng tế bào vi sinh vật chiếm từ 2 đến 5% tổng khối lượng biofilm. Trong biofilm ngoài thành phần tế bào thì có tới 97% là nước, 3 đến 6% còn lại là EPS và ion. Một tế bào vi khuẩn  tùy thuộc vào điều kiện môi trường khác nhau có thể hình thành biofilm ở các dạng khác nhau. Thành phần polymer ngoại bào rất đa dạng tùy loài vi sinh vật, dạng biofilm và điều kiện hình thành nhưng về cơ bản đều bao gồm các polysaccharide chiếm khoảng từ 40 đến 95%, từ 1 đến 60% là protein, từ 1 đến 10% là axit nucleic, và từ 1 đến 40% lipit về khối lượng.

Các hợp chất này thay đổi theo không gian và thời gian tồn tại của màng sinh học. Về cơ bản màng sinh học càng dày và thời gian tồn tại càng lâu thì có hàm lượng EPS càng nhiều.  Mật độ tế bào tập trung cao nhất ở lớp đỉnh của biofilm và giảm dần theo độ sâu. Trái lại, thành phần EPS lại phong phú hơn ở vùng phía trong biofilm. Thành phần EPS trong biofilm cũng khác biệt so với ở dạng sống tự do của chính vi khuẩn đó.

EPS có thể chiếm 50% đến 90% của tổng cacbon hữu cơ của các màng sinh học và có thể coi là thành phần chính của màng sinh học. EPS có thể thay đổi một vài tính chất hóa học và vật lý, nhưng thành phần chính của nó chủ yếu vẫn gồm các polysaccharides. Có thể là các polysaccharides trung tính hay là polyanionic là thành phần chính của EPS vi khuẩn gram âm. Một số vi khuẩn gram dương, thành phần hóa học của EPS có thể khác nhau và chủ yếu là cation.

Dựa trên các phương pháp phân tích di truyền học, sinh học phân tử, cùng với những phân tích về mặt cấu trúc của màng sinh học, các nhà khoa học đã đưa ra một mô hình cấu trúc màng sinh học cơ bản. Trong mô hình này, vi khuẩn hình thành nên các vi khuẩn lạc và được bao quanh bởi một mạng lưới chất ngoại bào giúp các thành phần tế bào liên kết với nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào đồng thời tạo nên những kênh dẫn truyền dịch ngoại bào bên trong màng sinh vật.

Nhờ đó, dịch tế bào có thể đi qua màng sinh vật tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất dinh dưỡng đến khắp các tế bào trong màng cũng như loại bỏ các chất thải. Sự hình thành biofilm là quá trình phát triển mà trong đó vi khuẩn trải qua những thay đổi trong cách thức tồn tại để chuyển từ dạng sống đơn bào, riêng rẽ sang dạng tập hợp nhiều tế bào, cố định một chỗ và có sự sinh trưởng cũng như biệt hóa tế bào khác với dạng sống trôi nổi.

Có năm giai đoạn chính trong quá trình hình thành và phát triển của một biofilm.

Hình 2 Các giai đoạn chính của quá trình hình thành một biofilm

Giai đoạn 1:  Gắn kết thuận nghịch lên giá thể

Trong một số điều kiện nhất định và tùy thuộc đặc tính lý hóa, các vi khuẩn có thể di chuyển hướng đến bề mặt bởi hóa ứng động và hình thành mối tương tác tạm thời với bề mặt thông qua các lực tương tác yếu như lực Van der Waals, lực hút tình điện, liên kết hydro.

Nhờ khả năng di chuyển độc lập bằng các cử động co rút tế bào hay sử dụng các tiêm mao, và khả năng tiết các chất ngoại bào giúp các tế bào riêng rẽ được bao bọc trong một mạng lưới và bắt đầu sự hình thành màng sinh vật. Giai đoạn gắn kết thuận nghịch có vai trò quyết định một màng sinh học có thể được hình thành hay không.

Giai đoạn 2: Hình thành lớp tế bào

Khi các tế bào đầu tiên bám dính chặt hơn trên bề mặt giá thể, lúc này các tế bào sử dụng các chất hữu cơ trên bề mặt giá thể và trong môi trường để sinh trưởng phát triển tạo nên các vi khuẩn lạc đồng thời cũng trải qua những thay đổi về số lượng tế bào, số lượng loài cũng như cấu trúc tế bào nhất định.

Sản sinh ra các hợp chất ngoại bào, giúp cho các tế bào bám dính chặt, không thuận nghịch trừ khi có tác động của các tác nhân vật lý, hóa học. Các tế bào giảm mức độ sinh trưởng, tiêu giảm các phần phụ trợ tế bào.

Giai đoạn 3: Hình thành mạng lưới ngoại bào

Các hợp chất polymer ngoại bào tiếp tục được tạo ra bởi các tế bào để liên kết các tế bào một cách có tổ chức đồng thời tạo thành cầu nối giữa các khuẩn lạc. Chúng cũng có vai trò trong việc thu hút các tế bào sống trôi nổi (có thể là từ nhiều loài khác nhau) trong môi trường. Kết quả là mật độ tế bào trong một màng sinh học cũng như lượng các polymer ngoại bào tạo ra tăng lên. Một màng sinh học dần được hình thành.

Giai đoạn 4: Hoàn thành một màng sinh học hoàn chỉnh

Khi tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch lên bề mặt thì quá trình trưởng thành của màng sinh vật bắt đầu. Các tế bào phân chia và phát triển, hình thành các cụm tế bào vi khuẩn và mở rộng về không gian, hình thành một cấu trúc màng sinh học hoàn chỉnh. Từ một phạm vi ban đầu màng sinh học có thể mở rộng về không gian cũng như độ phức tạp tùy thuộc vào điều kiện môi trường. Một màng sinh học hoàn chỉnh có cấu trúc giống như tháp hình nấm được bao quanh bởi các kênh vận chuyển nước có tính thẩm thấu cao tạo điều kiện cho việc vận chuyển chất dinh dưỡng và oxy vào bên trong màng.

Giai đoạn 5: Quá trình tách rời

Khả năng phát triển của màng sinh học bị giới hạn do nhu cầu dinh dưỡng của môi trường nuôi cấy và biểu hiện của các phân tử cảm ứng mật độ tế bào. Các phân tử này được giải phóng ra nhằm đáp ứng với những hạn chế về dinh dưỡng, sự tích tụ các sản phẩm độc hại và một số nhân tố khác, bao gồm các yếu tố pH, nguồn cung cấp cacbon, oxy.

Trong một số trường hợp, khi màng sinh học đạt đến khối lượng và một mức cân bằng động tối đa thì các tế bào trong đó sẽ tự tách rời và cùng với các tế bào của một màng khác hình thành nên các vi khuẩn lạc. Sự phân hủy các polymer ngoại bào có thể diễn ra trong điều kiện thiếu hụt dinh dưỡng hay oxy bên trong màng sinh học.

Quá trình này liên quan đến sự tăng cường biểu hiện của các gen mã hóa cho enzyme phân hủy carbohydrate tạo nên các lực liên kết yếu hơn trong màng sinh học, dẫn đến sự phân tách các tế bào riêng rẽ đồng thời operon mã hóa cho protein lông roi được tăng cường biểu hiện để chuẩn bị cho các tế bào sống tự do khi tách rời khỏi màng.

-> Xem thêm: Giá thể vi sinh biochip (mutag biochip)