Peptidoglycan là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa peptidoglycan

Peptidoglycan, còn gọi là murein, là một polymer cấu trúc dạng lưới bao gồm các chuỗi polysaccharide liên kết với các chuỗi peptide ngắn. Đây là thành phần chủ yếu của thành tế bào vi khuẩn, giúp vi khuẩn duy trì hình dạng và chống lại áp suất thẩm thấu từ môi trường bên ngoài. Peptidoglycan không có trong tế bào nhân thực và là đặc trưng phân biệt vi khuẩn với các sinh vật khác.

Peptidoglycan có cấu trúc không tan trong nước, dẻo và đàn hồi, hoạt động như một khung nâng đỡ cơ học bao quanh màng sinh chất. Nó giữ vai trò thiết yếu trong quá trình sống, sinh sản và phân chia của vi khuẩn. Nhờ đặc điểm này, peptidoglycan trở thành đích tác động của nhiều loại kháng sinh phổ biến.

Một số vi khuẩn có thành phần peptidoglycan biến đổi, nhưng phần lớn đều chứa dạng cấu trúc chuẩn. Điều này cho phép phát triển các thuốc, kháng thể hoặc enzyme đặc hiệu chỉ nhắm đến vi khuẩn, mà không gây hại cho tế bào người. Thông tin nền tảng thêm có thể xem tại NCBI Bookshelf.

Cấu trúc hóa học cơ bản

Peptidoglycan được tạo thành từ hai loại đường: N-acetylglucosamine (GlcNAc) và N-acetylmuramic acid (MurNAc), liên kết với nhau bằng cầu nối β(1→4). Trên mỗi MurNAc, có một chuỗi tetrapeptide gồm các amino acid có thể bao gồm: L-alanine, D-glutamic acid, meso-diaminopimelic acid (m-DAP) hoặc L-lysine, và D-alanine.

Các chuỗi peptide này có thể liên kết chéo với nhau, tạo thành mạng lưới ba chiều vững chắc. Mức độ liên kết chéo khác nhau tùy theo loài vi khuẩn và ảnh hưởng trực tiếp đến tính cứng, đàn hồi và độ dày của thành tế bào. Dưới đây là bảng mô tả cấu trúc điển hình của một tiểu đơn vị peptidoglycan:

Một số vi khuẩn sử dụng L-lysine thay cho m-DAP trong chuỗi peptide, tạo nên sự đa dạng hóa cấu trúc peptidoglycan trong tự nhiên. Tuy nhiên, chức năng bảo vệ và ổn định vẫn được duy trì nhờ các liên kết chéo peptide.

Vai trò trong thành tế bào vi khuẩn

Peptidoglycan là thành phần chính của thành tế bào – lớp bao bọc ngay bên ngoài màng sinh chất. Nó hoạt động như một bộ khung chịu lực, giữ cho vi khuẩn không bị nổ tung trong môi trường nhược trương. Đồng thời, peptidoglycan giúp vi khuẩn duy trì hình dạng đặc trưng như cầu, que, xoắn.

Ở vi khuẩn Gram dương, lớp peptidoglycan dày và chiếm phần lớn thể tích thành tế bào. Nó cũng là nơi gắn acid teichoic và acid lipoteichoic, giúp ổn định cấu trúc và tham gia vào các quá trình miễn dịch. Ở vi khuẩn Gram âm, peptidoglycan mỏng hơn và nằm trong khoảng không gian periplasmic giữa màng trong và màng ngoài.

Peptidoglycan còn tham gia vào nhiều chức năng sinh học khác như:

• Chịu trách nhiệm định vị các protein bề mặt
• Tham gia phân chia tế bào bằng cách điều hướng enzym tách đôi
• Gắn các cảm biến hóa học và hệ thống vận chuyển chất

Phân biệt peptidoglycan ở vi khuẩn Gram dương và Gram âm

Vi khuẩn Gram dương và Gram âm đều có peptidoglycan, nhưng khác biệt lớn về độ dày, cấu trúc liên kết và vị trí trong thành tế bào. Những khác biệt này giải thích sự khác biệt về đặc tính nhuộm màu Gram, độ nhạy cảm với kháng sinh và cơ chế miễn dịch.

Bảng so sánh dưới đây tóm tắt các đặc điểm nổi bật:

Chính sự khác biệt này khiến kháng sinh β-lactam có hiệu quả mạnh với vi khuẩn Gram dương, nhưng cần kết hợp thuốc khác để tác động đến Gram âm. Ngoài ra, các enzyme như lysozyme có thể phá vỡ liên kết β(1→4) giữa GlcNAc và MurNAc, từ đó làm suy yếu peptidoglycan và tiêu diệt vi khuẩn.

Sinh tổng hợp peptidoglycan

Quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan là một chuỗi ba giai đoạn xảy ra lần lượt tại bào tương, màng sinh chất và khoảng không gian periplasmic (ở Gram âm). Giai đoạn đầu xảy ra trong bào tương, nơi các tiền chất được tạo thành từ uridine diphosphate (UDP) gắn với N-acetylglucosamine (GlcNAc) và N-acetylmuramic acid (MurNAc). Chuỗi pentapeptide được lắp ráp trên MurNAc tạo nên UDP-MurNAc-pentapeptide.

Giai đoạn thứ hai diễn ra tại màng sinh chất, nơi lipid mang tên bactoprenol vận chuyển tiểu đơn vị peptidoglycan từ trong ra ngoài màng. Hai sản phẩm trung gian – Lipid I và Lipid II – lần lượt được hình thành thông qua các phản ứng chuyển hóa: $\text{MurNAc-pentapeptide + bactoprenol} \rightarrow \text{Lipid I} \\ \text{Lipid I + GlcNAc} \rightarrow \text{Lipid II}$ Sau đó, Lipid II được vận chuyển đến mặt ngoài màng và tích hợp vào mạng lưới peptidoglycan thông qua quá trình polymer hóa và liên kết chéo.

Giai đoạn cuối cùng xảy ra bên ngoài màng sinh chất, nơi các enzym như transglycosylase và transpeptidase kết hợp các tiểu đơn vị mới vào khung peptidoglycan hiện tại. Chính bước transpeptid hóa – liên kết giữa chuỗi peptide của các tiểu đơn vị khác nhau – là mục tiêu của nhiều loại kháng sinh β-lactam.

Peptidoglycan và cơ chế tác động của kháng sinh

Peptidoglycan là đích tấn công của nhiều loại kháng sinh quan trọng, đặc biệt là nhóm β-lactam và glycopeptide. Các thuốc này làm gián đoạn quá trình tổng hợp thành tế bào, dẫn đến sự mất ổn định của vách tế bào và làm vi khuẩn chết do vỡ dưới áp suất thẩm thấu.

Một số cơ chế chính:

• Penicillin: gắn vào transpeptidase (PBP – penicillin-binding proteins) → ngăn tạo liên kết chéo
• Cephalosporin: hoạt động tương tự penicillin, nhưng ổn định hơn với β-lactamase
• Vancomycin: gắn vào đầu D-Ala-D-Ala của chuỗi peptide → ngăn transpeptidase tiếp cận
• Fosfomycin: ức chế enzym MurA → ngăn tổng hợp tiền chất UDP-MurNAc

Kháng kháng sinh thường xuất hiện do đột biến gen PBP, sản xuất β-lactamase, hoặc thay đổi cấu trúc đích (D-Ala-D-Lac thay D-Ala-D-Ala ở Enterococcus kháng vancomycin). Hiểu rõ vai trò của peptidoglycan giúp phát triển thuốc kháng sinh mới với cơ chế hiệu quả hơn.

Peptidoglycan và hệ miễn dịch

Hệ miễn dịch bẩm sinh của người có khả năng nhận diện peptidoglycan như một yếu tố không tự thân (PAMP – pathogen-associated molecular pattern). Các thụ thể như Toll-like receptor 2 (TLR2) trên màng tế bào và các thụ thể nội bào như NOD1 và NOD2 có thể phát hiện các mảnh peptidoglycan bị cắt nhỏ khi vi khuẩn bị tiêu diệt.

Khi nhận diện xảy ra, các thụ thể này kích hoạt con đường tín hiệu dẫn đến sản xuất các cytokine viêm như TNF-α, IL-1β và IL-6. Đây là bước đầu tiên khởi động phản ứng miễn dịch nhằm tiêu diệt vi khuẩn xâm nhập. Tuy nhiên, hoạt hóa quá mức cũng có thể gây ra viêm mạn tính, sốc nhiễm trùng hoặc tổn thương mô.

Peptidoglycan cũng là mục tiêu của lysozyme – enzyme có trong nước mắt, nước bọt và bạch cầu – có khả năng cắt liên kết β(1→4) giữa GlcNAc và MurNAc, làm suy yếu mạng lưới peptidoglycan. Các vi khuẩn có thể phát triển khả năng đề kháng lysozyme bằng cách acetyl hóa hoặc thay đổi cấu trúc tiểu đơn vị đường.

Peptidoglycan trong nghiên cứu vi sinh và y học

Nghiên cứu peptidoglycan cung cấp kiến thức nền quan trọng để hiểu rõ cơ chế sinh học vi khuẩn, phát triển kháng sinh mới và tìm kiếm chỉ dấu sinh học. Các phương pháp như sắc ký HPLC, nhuộm huỳnh quang hoặc sử dụng enzyme phân giải peptidoglycan giúp phân tích cấu trúc, mật độ liên kết chéo và tốc độ tăng trưởng vi khuẩn.

Một số ứng dụng trong y học:

• Phân tích peptidoglycan để theo dõi đáp ứng kháng sinh
• Phân biệt loài vi khuẩn dựa trên độ biến thiên cấu trúc peptide
• Sử dụng tiểu đơn vị peptidoglycan làm chỉ dấu trong miễn dịch học

Ứng dụng và tiềm năng trong công nghệ sinh học

Ngoài vai trò sinh học, peptidoglycan đang được khai thác trong công nghệ sinh học và vật liệu sinh học. Các vật liệu có cấu trúc tương tự peptidoglycan có thể được sử dụng làm hệ mang thuốc, cảm biến sinh học hoặc vật liệu phân hủy sinh học.

Một số hướng phát triển ứng dụng:

• Tổng hợp peptidoglycan nhân tạo để thử nghiệm kháng sinh mới
• Thiết kế cảm biến vi sinh dựa trên enzyme nhận diện peptidoglycan
• Gắn các đoạn peptide biến đổi để tạo bề mặt chống vi khuẩn cho thiết bị y tế