Vi khuẩn thoát khỏi phage nhờ bơi cùng nhau, nghiên cứu của Caltech phát hiện

Vi khuẩn sống trong tình trạng bị bao vây liên tục. Các loại virus săn lùng chúng, được gọi là thể thực khuẩn, thường đông hơn con mồi rất nhiều — trong cơ thể người, trong đất, trong hồ và sông, chúng có thể nhiều gấp trăm lần vi khuẩn. Vậy mà vi khuẩn vẫn sinh sôi. Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện Công nghệ California đưa ra một lời giải thích bất ngờ: các vi sinh vật này sống sót không phải bằng cách chống trả cuộc tấn công một cách riêng lẻ, mà bằng cách di chuyển cùng nhau.

Cơ chế trung tâm của phát hiện này là hóa hướng động, khả năng của tế bào cảm nhận các gradient hóa học và di chuyển về phía hoặc ra xa chúng. Nhiều loại vi khuẩn sử dụng giác quan này để đuổi theo chất dinh dưỡng hoặc chạy trốn chất độc. Điều nhóm Caltech phát hiện là hóa hướng động cũng có thể hoạt động như một hình thức phòng thủ tập thể. Khi phage tấn công, những vi khuẩn phối hợp di chuyển có thể thoát khỏi vùng nguy hiểm theo cả tập thể, thay vì đứng yên chống đỡ và bị tiêu diệt lần lượt.

Kết quả này, được truyền thông khoa học Trung Quốc đưa tin trong tuần, thách thức quan niệm lâu đời về phòng thủ của vi khuẩn như một cơ chế thuần túy phân tử — enzyme giới hạn, các hệ thống giống CRISPR và những vũ khí nội bào khác. Những công cụ đó có vai trò của chúng, nhưng công trình mới cho thấy hành vi, cụ thể là quyết định di chuyển theo đám đông, là một chiến lược sinh tồn riêng biệt và mạnh mẽ. Các nhà nghiên cứu mô tả hiệu ứng này như một dạng hóa hướng động nhóm, trong đó các tế bào riêng lẻ phản ứng với cùng tín hiệu hóa học và cuối cùng di chuyển theo cùng một hướng.

Tại sao những người ngoài phòng thí nghiệm vi sinh lại nên quan tâm? Phage ngày càng được nghiên cứu như một giải pháp thay thế kháng sinh, một lĩnh vực được gọi là liệu pháp phage, và cũng được sử dụng trong an toàn thực phẩm và nông nghiệp. Nếu vi khuẩn có thể né tránh phage chỉ bằng cách bơi đi theo đội hình, thì bất kỳ phương pháp điều trị nào dựa trên phage đều phải tính đến hành vi của vi khuẩn, chứ không chỉ di truyền của chúng. Phát hiện này có thể giúp giải thích tại sao các phương pháp dựa trên phage đôi khi thất bại trong những môi trường mà vi khuẩn được tự do di chuyển.

Công trình này cũng phù hợp với một sự chuyển dịch rộng lớn hơn trong ngành vi sinh vật học, hướng tới việc xem vi khuẩn như những sinh vật có đời sống xã hội. Nghiên cứu trong hai thập kỷ qua đã chỉ ra rằng vi sinh vật giao tiếp qua tín hiệu hóa học, hình thành các cộng đồng có cấu trúc gọi là màng sinh học và phối hợp các hành vi tập thể. Nghiên cứu của Caltech bổ sung thêm hành vi chạy trốn vào danh sách đó — một kiểu bỏ chạy tập thể thay vì đối đầu tập thể.

Những hệ quả thực tiễn vẫn đang dần lộ diện. Hiểu được khi nào và bằng cách nào vi khuẩn chọn cách chạy trốn có thể giúp định hướng thiết kế các liệu pháp phage, quản lý các ca nhiễm trùng trong môi trường chất lỏng chuyển động như đường ruột hay máu, và hiểu cách các quần thể vi sinh vật trong đất và nước phản ứng với áp lực virus. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng hành vi này phụ thuộc vào môi trường: vi khuẩn cần gradient hóa học phù hợp và đủ không gian để di chuyển.

Đối với công chúng, bài học rút ra là một điều quen thuộc được khoác áo mới: hợp tác có thể là một chiến lược sinh tồn ngay cả ở quy mô nhỏ nhất. Một vi khuẩn đơn lẻ đối mặt với phage có thể có ít lựa chọn. Một quần thể cảm nhận được mối đe dọa và di chuyển cùng nhau thì có nhiều lựa chọn hơn. Nghiên cứu này bổ sung vào bằng chứng ngày càng nhiều cho thấy thế giới vi sinh vật không hẳn là một tập hợp các tế bào đơn độc mà là một tập hợp các xã hội phối hợp, và một số quyết định quan trọng nhất của chúng được đưa ra trong lúc di chuyển.