Bacteria là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học về Bacteria

Định nghĩa và đặc điểm cơ bản

Bacteria hay vi khuẩn là nhóm sinh vật đơn bào, thuộc về giới Prokaryota, nghĩa là sinh vật nhân sơ, không có màng nhân và không chứa các bào quan có màng như ti thể hoặc lưới nội chất. Tế bào vi khuẩn nhỏ bé, kích thước trung bình từ 0.5 đến 5 micromet, tuy nhiên một số loài có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn đáng kể.

Vi khuẩn tồn tại ở hầu hết mọi môi trường sống trên Trái Đất, từ nước biển, đất, không khí cho đến các môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng, hồ muối mặn, băng vĩnh cửu hoặc trong cơ thể động vật. Chúng có khả năng sinh trưởng nhanh chóng nhờ sinh sản vô tính, đồng thời có sự đa dạng di truyền cao.

Về hình dạng, vi khuẩn có thể được phân thành nhiều kiểu khác nhau, trong đó phổ biến nhất gồm:

• Hình cầu (cocci)
• Hình que (bacilli)
• Hình xoắn (spirilla)
• Dấu phẩy (vibrio)

Dù một số loài vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm, phần lớn vi khuẩn có vai trò tích cực trong hệ sinh thái và sức khỏe con người. Vi khuẩn tham gia vào quá trình phân giải sinh học, tuần hoàn dinh dưỡng, và hỗ trợ tiêu hóa. Nhiều loại còn được ứng dụng trong công nghệ sinh học và sản xuất công nghiệp.

Xem thêm định nghĩa chuyên ngành tại National Human Genome Research Institute.

Phân loại vi khuẩn

Vi khuẩn được phân loại theo nhiều tiêu chí, mỗi tiêu chí phản ánh một khía cạnh đặc điểm sinh học hoặc chức năng sinh lý khác nhau. Hệ thống phân loại này không chỉ giúp xác định danh tính vi khuẩn mà còn giúp dự đoán khả năng sống, sinh trưởng và tương tác với môi trường hoặc vật chủ.

Các tiêu chí phân loại phổ biến gồm:

• Theo hình dạng: Cầu khuẩn (cocci), trực khuẩn (bacilli), xoắn khuẩn (spirilla), dấu phẩy (vibrio)
• Theo phản ứng nhuộm Gram: Gram dương có thành tế bào dày, Gram âm có thành tế bào mỏng và màng ngoài
• Theo nhu cầu oxy: Vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí bắt buộc, kỵ khí tùy nghi và vi hiếu khí
• Theo vai trò sinh học: Gây bệnh, không gây bệnh, cộng sinh, hoại sinh

Phân loại nâng cao dựa trên trình tự gen rRNA 16S giúp xây dựng cây phát sinh chủng loại chính xác hơn, từ đó phân biệt được các nhóm vi khuẩn cực kỳ gần nhau về hình thái nhưng khác biệt di truyền.

Dưới đây là bảng tổng hợp sơ bộ một số đặc điểm phân loại quan trọng:

Tiêu chí	Phân nhóm chính	Đặc điểm tiêu biểu
Hình dạng	Cocci, Bacilli, Spirilla, Vibrio	Phân biệt bằng kính hiển vi
Nhuộm Gram	Gram (+), Gram (–)	Phản ứng với thuốc nhuộm crystal violet và safranin
Nhu cầu oxy	Hiếu khí, kỵ khí, tùy nghi	Liên quan đến môi trường sống và cơ chế hô hấp
Khả năng gây bệnh	Pathogenic, Non-pathogenic	Xác định vai trò trong y học và môi trường

Tham khảo thêm tại NCBI - Principles of Classification.

Cấu trúc tế bào vi khuẩn

Vi khuẩn là tế bào nhân sơ, không có màng nhân, cấu trúc tế bào tuy đơn giản nhưng tối ưu hóa cho tốc độ sinh trưởng nhanh. Tế bào vi khuẩn bao gồm các thành phần cơ bản: thành tế bào, màng sinh chất, vùng nhân, ribosome, plasmid, cùng với một số cấu trúc phụ như pili và flagella.

Thành tế bào đóng vai trò duy trì hình dạng, bảo vệ tế bào khỏi áp suất thẩm thấu và các tác nhân ngoại lai. Nó cấu tạo chủ yếu từ peptidoglycan – đặc điểm chính để phân biệt giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Màng sinh chất phía trong kiểm soát trao đổi chất, tham gia hô hấp và tổng hợp ATP.

DNA của vi khuẩn tồn tại dưới dạng một vòng đơn không có màng nhân, gọi là nucleoid. Ngoài ra còn có plasmid – các đoạn DNA vòng nhỏ mang gen kháng kháng sinh hoặc gen mã hóa enzyme đặc hiệu. Ribosome là nơi tổng hợp protein, có kích thước 70S, khác với ribosome 80S của sinh vật nhân thực.

Các thành phần phụ:

• Flagella (roi): Giúp vi khuẩn di chuyển
• Pili: Cấu trúc protein giúp bám dính và truyền DNA trong tiếp hợp
• Capsule (vỏ nhầy): Tăng khả năng chống thực bào và khô hạn

Sơ đồ minh họa cấu trúc:

Thành phần	Chức năng chính
Thành tế bào	Bảo vệ, duy trì hình dạng
Màng sinh chất	Điều hòa trao đổi chất
Nucleoid	Lưu trữ vật chất di truyền
Plasmid	Chứa gen phụ, thường là gen kháng thuốc
Ribosome	Tổng hợp protein
Flagella/Pili	Di chuyển, giao tiếp tế bào

Chi tiết thêm tại Molecular Expressions - Bacterial Cell.

Sinh sản và di truyền

Vi khuẩn sinh sản vô tính chủ yếu qua quá trình phân đôi – binary fission. Một tế bào mẹ sao chép DNA và phân chia tạo ra hai tế bào con giống nhau về mặt di truyền. Quá trình này diễn ra nhanh chóng, có thể hoàn thành chỉ sau 20 phút trong điều kiện thuận lợi.

Bên cạnh đó, vi khuẩn còn có khả năng trao đổi vật chất di truyền không theo kiểu sinh sản, giúp chúng biến đổi và thích nghi nhanh hơn. Ba cơ chế chính gồm:

• Transformation: Hấp thụ DNA trần từ môi trường ngoài
• Conjugation: Truyền plasmid qua pili giữa hai vi khuẩn
• Transduction: Chuyển gen qua trung gian virus (bacteriophage)

Nhờ các cơ chế này, vi khuẩn có thể thu nhận gen kháng thuốc, tăng độc tính hoặc thích nghi với môi trường cực đoan.

Toàn bộ quá trình di truyền này góp phần vào sự tiến hóa nhanh chóng của hệ vi sinh vật. Tài liệu tham khảo tại Cornell Microbiology - Bacterial Reproduction.

Vai trò trong môi trường

Vi khuẩn là thành phần nền tảng trong mọi hệ sinh thái. Chúng tham gia trực tiếp vào các chu trình sinh địa hóa, giữ vai trò không thể thay thế trong việc duy trì cân bằng sinh thái và chuỗi thức ăn. Nhờ khả năng phân giải, đồng hóa và cố định, vi khuẩn thúc đẩy quá trình tái tạo vật chất và năng lượng.

Trong chu trình nitơ, các loài vi khuẩn như Rhizobium và Azotobacter có thể cố định nitơ từ khí quyển thành amoniac, cung cấp nguồn đạm hữu cơ cho thực vật. Một số khác như Nitrosomonas và Nitrobacter tham gia quá trình nitrat hóa, biến đổi amoniac thành nitrat – dạng cây dễ hấp thụ nhất.

Trong chu trình cacbon, vi khuẩn phân giải xác sinh vật và chất hữu cơ phức tạp thành CO₂ và các hợp chất đơn giản hơn. Ngoài ra, vi khuẩn lam (cyanobacteria) còn có khả năng quang hợp, giải phóng oxy vào khí quyển và tạo ra năng lượng dưới ánh sáng mặt trời.

Một số vai trò điển hình của vi khuẩn trong môi trường:

• Phân hủy xác sinh vật, tái tạo khoáng chất
• Cố định nitơ và cacbon trong đất
• Khử kim loại nặng và chất độc trong xử lý môi trường
• Tham gia vào các biofilm – cộng đồng vi sinh vật ổn định

Các loài vi khuẩn sống trong điều kiện khắc nghiệt như suối nước nóng, hồ axit, đáy biển sâu được gọi là extremophiles. Chúng giúp mở rộng hiểu biết về giới hạn sinh học và được nghiên cứu trong ngành sinh học vũ trụ.

Tham khảo chi tiết tại UCMP Berkeley - Bacterial Ecology.

Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Hệ vi sinh vật trong cơ thể người, còn gọi là microbiome, đóng vai trò trung tâm trong duy trì sức khỏe tổng thể. Trong đó, vi khuẩn chiếm tỷ lệ lớn, chủ yếu cư trú ở đường ruột, da, khoang miệng và hệ sinh dục. Sự cân bằng của hệ vi khuẩn có lợi và có hại quyết định mức độ miễn dịch, tiêu hóa và thậm chí cả sức khỏe tâm thần.

Các vi khuẩn có lợi như Lactobacillus, Bifidobacterium hỗ trợ quá trình tiêu hóa carbohydrate, tổng hợp vitamin B và K, và cạnh tranh với vi khuẩn gây bệnh để bảo vệ vật chủ. Chúng cũng giúp đào thải độc tố và kích thích hệ miễn dịch sản sinh kháng thể.

Tuy nhiên, nhiều vi khuẩn cũng có khả năng gây bệnh, nhất là khi hàng rào miễn dịch suy yếu hoặc có đột biến gen độc lực. Một số bệnh do vi khuẩn bao gồm:

• Streptococcus pyogenes: viêm họng, viêm cầu thận
• Mycobacterium tuberculosis: lao phổi
• Helicobacter pylori: viêm loét dạ dày
• Escherichia coli O157:H7: ngộ độc thực phẩm

Cân bằng hệ vi khuẩn nội sinh thông qua dinh dưỡng, lợi khuẩn (probiotics), hoặc thậm chí ghép vi sinh vật đường ruột là những hướng tiếp cận y học mới. Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự liên quan giữa hệ vi khuẩn đường ruột và rối loạn thần kinh, béo phì, tiểu đường và trầm cảm.

Xem thêm tại Cleveland Clinic - Bacteria and Human Health.

Ứng dụng trong công nghiệp

Vi khuẩn không chỉ đóng vai trò sinh học mà còn được con người khai thác rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp, dược phẩm và công nghệ sinh học. Nhờ khả năng lên men, tổng hợp enzyme, xử lý chất thải và chuyển hóa sinh học, chúng trở thành "công nhân vi mô" trong nhiều quy trình sản xuất.

Trong công nghiệp thực phẩm, vi khuẩn như Lactobacillus và Acetobacter được sử dụng để sản xuất sữa chua, phô mai, giấm, tương và nhiều loại đồ uống lên men. Chúng giúp chuyển hóa đường thành axit lactic hoặc axetic, làm thay đổi hương vị và tăng khả năng bảo quản.

Trong ngành dược, vi khuẩn Streptomyces là nguồn gốc của hơn 60% kháng sinh như streptomycin, tetracycline. Ngoài ra, vi khuẩn biến đổi gen còn được dùng để sản xuất insulin, hormone tăng trưởng, vaccine và enzyme công nghiệp. Trong xử lý môi trường, một số loài như Pseudomonas và Bacillus được dùng trong hệ thống xử lý nước thải và phân giải dầu mỏ.

Ứng dụng tiêu biểu:

Lĩnh vực	Vi khuẩn sử dụng	Sản phẩm
Thực phẩm	Lactobacillus	Sữa chua, phô mai, dưa muối
Dược phẩm	Streptomyces	Kháng sinh, thuốc chống ung thư
Sinh học phân tử	Escherichia coli biến đổi gen	Insulin, hormone, enzyme
Môi trường	Pseudomonas	Xử lý nước thải, làm sạch dầu tràn

Tham khảo: Britannica - Bacteria in Industry.

Kháng kháng sinh và vấn đề toàn cầu

Kháng kháng sinh là một trong những mối đe dọa nghiêm trọng nhất đối với y học hiện đại. Đây là hiện tượng vi khuẩn phát triển khả năng sống sót và phát triển ngay cả khi tiếp xúc với thuốc kháng sinh từng có hiệu quả. Nguyên nhân chủ yếu là do việc sử dụng kháng sinh bừa bãi trong điều trị và nông nghiệp.

Vi khuẩn có thể kháng thuốc thông qua nhiều cơ chế như:

• Biến đổi vị trí gắn thuốc
• Bơm ngược thuốc ra ngoài tế bào
• Phá hủy hoặc bất hoạt kháng sinh
• Truyền gen kháng thuốc qua plasmid

Hiện tượng kháng đa thuốc (MDR) xuất hiện ngày càng nhiều trong các chủng vi khuẩn bệnh viện như MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus), CRE (Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae). Tổ chức Y tế Thế giới đã cảnh báo về một "thời kỳ hậu kháng sinh" nếu không kiểm soát được tình trạng này.

Các chiến lược toàn cầu bao gồm giám sát kháng sinh, phát triển kháng sinh thế hệ mới, sử dụng phage, và tăng cường giáo dục cộng đồng. Một số nghiên cứu đang tập trung vào CRISPR và vi khuẩn tự diệt để kiểm soát sự lan rộng của gen kháng thuốc.

Thông tin chi tiết xem tại CDC - Antibiotic Resistance Threats.