Vi nấm là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa vi nấm

Vi nấm (fungi, hay nấm hiển vi) là nhóm sinh vật nhân thực có cấu trúc tế bào phức tạp, nhân được bao bọc bởi màng nhân thật, và thành tế bào chứa chitin. Khác với thực vật, vi nấm không có diệp lục và không thể quang hợp, chúng sống bằng cách hấp thụ chất dinh dưỡng từ môi trường hoặc vật chủ. Vi nấm có thể tồn tại ở dạng đơn bào hoặc đa bào, phổ biến trong đất, không khí, nước, và cả cơ thể sinh vật sống. Nhiều loài vi nấm tồn tại như sinh vật hoại sinh, trong khi một số khác là ký sinh hoặc cộng sinh.

Trong tự nhiên, vi nấm đóng vai trò là sinh vật phân hủy chủ yếu, giúp tái chế vật chất hữu cơ. Một số loài vi nấm có lợi được ứng dụng trong y học, công nghiệp thực phẩm và công nghệ sinh học, trong khi một số khác là mầm bệnh nguy hiểm cho người, động vật hoặc cây trồng. Sự đa dạng của chúng phản ánh khả năng thích nghi cao với nhiều điều kiện môi trường, từ vùng đất khô cằn đến khu vực có độ ẩm cao.

Thuật ngữ “vi nấm” thường được dùng để phân biệt các loài nấm có kích thước nhỏ, không thể quan sát bằng mắt thường, bao gồm các chi như Aspergillus, Penicillium, Candida và Cryptococcus. Các loài này thường được xác định bằng phương pháp nuôi cấy, kính hiển vi hoặc phân tích DNA. Thông tin chi tiết về phân loại và đặc điểm phân tử của các loài vi nấm có thể được tra cứu tại NCBI Taxonomy Browser.

Phân loại vi nấm

Hệ thống phân loại vi nấm dựa trên đặc điểm hình thái, cơ chế sinh sản, và đặc điểm di truyền. Theo hệ thống hiện đại, vi nấm được chia thành các ngành chính như Ascomycota (nấm túi), Basidiomycota (nấm đảm), Zygomycota (nấm tiếp hợp), và Deuteromycota (nấm bất toàn). Sự khác biệt giữa các nhóm chủ yếu nằm ở cấu trúc sinh sản và loại bào tử tạo thành.

Bảng dưới đây thể hiện tóm tắt các đặc điểm chính của bốn nhóm vi nấm quan trọng:

Ngành nấm	Đặc điểm chính	Ví dụ
Ascomycota	Sinh sản bằng bào tử nằm trong túi (ascus)	Aspergillus, Penicillium
Basidiomycota	Sinh sản bằng bào tử đảm (basidiospore)	Cryptococcus, nấm men đỏ
Zygomycota	Tạo bào tử tiếp hợp, sợi nấm không vách ngăn	Rhizopus, Mucor
Deuteromycota	Không rõ giai đoạn hữu tính	Trichophyton, Microsporum

Các phương pháp phân loại truyền thống dựa trên hình thái thường gặp giới hạn khi các loài có hình dạng tương tự. Do đó, phân tích gen ribosome 18S và 28S cùng kỹ thuật PCR đã trở thành công cụ tiêu chuẩn trong xác định loài vi nấm hiện đại. Dữ liệu phân tử giúp tái cấu trúc cây phát sinh chủng loại của giới Fungi, cho phép nhận diện chính xác hơn các nhánh tiến hóa độc lập.

Đặc điểm sinh học và cấu trúc

Cấu trúc tế bào của vi nấm được đặc trưng bởi thành tế bào chứa chitin và glucan, giúp tế bào bền vững trước áp lực thẩm thấu. Bên trong, chúng có nhân thật, ty thể, mạng lưới nội chất và bộ Golgi, cho thấy mức độ tiến hóa cao hơn so với vi khuẩn. Các loài nấm đơn bào như nấm men có dạng hình cầu hoặc bầu dục, sinh sản bằng nảy chồi. Ngược lại, nấm dạng sợi hình thành hệ sợi nấm (mycelium) gồm các ống tế bào gọi là hyphae.

Sự phát triển của vi nấm phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ và nguồn carbon trong môi trường. Nhiệt độ tối ưu cho đa số loài dao động từ 20°C đến 30°C, mặc dù một số loài nhiệt sinh có thể phát triển ở 45°C. Vi nấm hấp thụ dinh dưỡng bằng cách tiết enzyme ngoại bào để phân hủy hợp chất hữu cơ thành phân tử nhỏ dễ hấp thu. Cơ chế này giúp chúng sống được cả trên vật liệu hữu cơ chết lẫn mô sống.

Một số thành phần cấu trúc quan trọng của vi nấm:

• Thành tế bào: chứa chitin, β-glucan và mannoprotein.
• Màng tế bào: chứa ergosterol – đích tác động chính của thuốc kháng nấm nhóm azole và polyene.
• Bào tử: giúp sinh sản, phát tán và tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt.

Cấu trúc này là cơ sở cho việc phát triển thuốc kháng nấm và xác định đặc điểm định danh trong phòng thí nghiệm.

Chu trình sống và sinh sản

Vi nấm có chu trình sống phức tạp với nhiều hình thức sinh sản. Chúng có thể sinh sản vô tính bằng bào tử vô tính (conidia, sporangiospore) hoặc hữu tính qua sự kết hợp giữa hai tế bào giao phối. Ba giai đoạn cơ bản trong chu trình sinh sản hữu tính gồm:

1. Plasmogamy: hợp nhất tế bào chất giữa hai giao tử tương hợp.
2. Karyogamy: hợp nhất nhân tạo nên tế bào lưỡng bội.
3. Meiosis: giảm phân để tạo bào tử đơn bội mới.

Mức sinh trưởng của vi nấm chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý và hóa học. Tốc độ phát triển bào tử có thể được mô tả bằng hàm sinh trưởng phụ thuộc nhiệt độ:

$r(T) = r_{max} \cdot \left( \frac{T - T_{min}}{T_{opt} - T_{min}} \right) \cdot \left( \frac{T_{max} - T}{T_{max} - T_{opt}} \right)$

Trong đó:

• $r(T)$: tốc độ sinh trưởng tại nhiệt độ $T$
• $r_{max}$: tốc độ tối đa
• $T_{min}$, $T_{opt}$, $T_{max}$: các giới hạn nhiệt độ sinh học

Mô hình này được ứng dụng trong nghiên cứu sinh lý học vi nấm và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy công nghiệp.

Một số loài vi nấm có khả năng chuyển đổi giữa dạng men và dạng sợi (dimorphism) tùy theo điều kiện môi trường, ví dụ như Candida albicans và Histoplasma capsulatum. Hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong khả năng gây bệnh và thích nghi sinh thái của vi nấm.

Vai trò trong hệ sinh thái

Vi nấm đóng vai trò thiết yếu trong các chu trình sinh học và dòng năng lượng của hệ sinh thái. Chúng là sinh vật phân giải chủ lực, phân hủy vật chất hữu cơ chết thành các chất dinh dưỡng đơn giản như nitrat, phosphate và carbon dioxide. Nhờ đó, vi nấm góp phần duy trì độ phì nhiêu của đất và hỗ trợ sự phát triển bền vững của hệ sinh vật.

Một số vi nấm thiết lập mối quan hệ cộng sinh với thực vật bậc cao thông qua hệ nấm rễ (mycorrhizae). Trong quan hệ này, nấm giúp cây hấp thụ tốt hơn các khoáng chất như phospho và nitơ, trong khi cây cung cấp carbohydrate cho nấm. Có hai dạng chính:

• Endomycorrhizae: sợi nấm xâm nhập tế bào rễ (ví dụ: Glomeromycota)
• Ectomycorrhizae: sợi nấm bao quanh rễ nhưng không xuyên vào tế bào (ví dụ: Basidiomycota)

Quan hệ cộng sinh này đặc biệt quan trọng trong rừng ôn đới và cận nhiệt đới.

Ngoài ra, vi nấm còn kiểm soát sự phát triển của vi khuẩn và sinh vật cạnh tranh khác bằng cách tiết enzyme hoặc chất kháng sinh tự nhiên. Một số vi nấm nội sinh sống bên trong mô thực vật (endophyte) còn giúp cây trồng chống chịu tốt hơn với sâu bệnh và điều kiện khắc nghiệt.

Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Vi nấm là nguồn tài nguyên sinh học có giá trị cao trong y học và công nghiệp. Một trong những ứng dụng nổi bật là sản xuất kháng sinh. Loại kháng sinh đầu tiên được phát hiện, penicillin, được chiết xuất từ Penicillium notatum vào năm 1928. Kể từ đó, nhiều kháng sinh khác như cephalosporin, griseofulvin cũng được phân lập từ vi nấm.

Vi nấm còn được sử dụng để sản xuất enzyme công nghiệp, acid hữu cơ và các sản phẩm thực phẩm lên men. Một số sản phẩm tiêu biểu:

• Enzyme: amylase, cellulase, protease từ Aspergillus niger hoặc Trichoderma reesei
• Acid hữu cơ: acid citric từ Aspergillus
• Thực phẩm lên men: miso, nước tương, tempeh (từ Rhizopus oligosporus)

Trong công nghệ sinh học hiện đại, vi nấm còn là công cụ để sản xuất protein tái tổ hợp, kháng thể đơn dòng và vaccine nhờ vào hệ thống biểu hiện gene hiệu quả, chi phí thấp và dễ nuôi cấy. Saccharomyces cerevisiae là một trong những loài nấm men được sử dụng phổ biến trong sản xuất insulin và vaccine viêm gan B.

Vi nấm gây bệnh

Một số vi nấm là tác nhân gây bệnh nghiêm trọng cho người, động vật và cây trồng. Ở người, các bệnh nấm có thể chia thành ba nhóm chính: nấm nông (trên da, tóc, móng), nấm dưới da và nấm sâu (nội tạng). Ví dụ:

• Nấm nông: Trichophyton rubrum gây hắc lào, nấm móng
• Nấm dưới da: Sporothrix schenckii gây nhiễm trùng mô mềm
• Nấm nội tạng: Aspergillus fumigatus gây viêm phổi xâm lấn, Cryptococcus neoformans gây viêm màng não

Những bệnh nấm nội tạng thường xảy ra ở người suy giảm miễn dịch, chẳng hạn như bệnh nhân HIV/AIDS, sau ghép tạng hoặc hóa trị. Theo thống kê của CDC, các ca nhiễm nấm xâm lấn đang gia tăng toàn cầu do lạm dụng kháng sinh và tăng các bệnh nền mãn tính.

Trong nông nghiệp, vi nấm là nguyên nhân chính gây bệnh trên cây trồng. Một số bệnh phổ biến:

Bệnh	Tác nhân	Cây trồng bị ảnh hưởng
Đạo ôn	Magnaporthe oryzae	Lúa
Phấn trắng	Podosphaera xanthii	Dưa hấu, bí
Mốc xám	Botrytis cinerea	Nho, dâu, cà chua

Các bệnh này gây giảm năng suất và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chuỗi cung ứng thực phẩm.

Chẩn đoán và kiểm soát vi nấm

Việc chẩn đoán vi nấm phụ thuộc vào đặc điểm hình thái, phản ứng nhuộm và kỹ thuật sinh học phân tử. Các phương pháp bao gồm:

• Nuôi cấy trên môi trường đặc hiệu (SDA, CHROMagar)
• Nhuộm KOH, calcofluor white hoặc nhuộm mực tàu
• Xét nghiệm kháng nguyên (galactomannan, β-D-glucan)
• Real-time PCR định danh loài nấm

Kiểm soát vi nấm đòi hỏi kết hợp nhiều biện pháp:

• Y học: sử dụng thuốc kháng nấm như fluconazole, amphotericin B, caspofungin
• Nông nghiệp: luân canh cây trồng, giống kháng bệnh, phun thuốc sinh học
• Môi trường: kiểm soát độ ẩm, vệ sinh bề mặt, thông gió tốt

Tuy nhiên, sự gia tăng của vi nấm kháng thuốc, như Candida auris, đang trở thành thách thức toàn cầu trong kiểm soát dịch nấm.

Vi nấm trong nghiên cứu khoa học

Vi nấm là sinh vật mô hình quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử, di truyền học và hệ gen. Saccharomyces cerevisiae được dùng trong nghiên cứu cơ chế phân bào, sửa chữa DNA, và các đường chuyển hóa cơ bản. Một số công trình nghiên cứu từ nấm men đã dẫn đến các giải Nobel về y học và hóa sinh.

Ngoài ra, vi nấm còn được nghiên cứu để:

• Sản xuất vật liệu sinh học như chitosan từ thành tế bào
• Phân hủy sinh học chất ô nhiễm (bioremediation)
• Tổng hợp hợp chất sinh học như alkaloid, terpenoid

Khả năng sinh tổng hợp thứ cấp mạnh mẽ của vi nấm đang mở ra cơ hội lớn trong phát triển thuốc mới và công nghệ sinh học xanh.

Tài liệu tham khảo

1. National Center for Biotechnology Information. (2024). Fungi Taxonomy. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi?id=4751
2. Centers for Disease Control and Prevention. (2023). Fungal Diseases. https://www.cdc.gov/fungal/index.html
3. World Health Organization. (2022). Fungal pathogens and their global impact. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/fungal-diseases
4. Microbiology Society. (2023). Fungal Biology. https://microbiologysociety.org/why-microbiology-matters/what-is-microbiology/fungi.html
5. Rokas, A. et al. (2020). Fungal gene clusters encoding the biosynthesis of secondary metabolites. Nature Reviews Microbiology, 18(3), 113–125.
6. Gullo, A. et al. (2013). Invasive fungal infections in critically ill patients. Clinical Microbiology and Infection, 19(10), 928–935.
7. Arnone, D. et al. (2021). Emerging fungal pathogens: the case of Candida auris. Current Opinion in Microbiology, 64, 98–104.