Phản ứng của vi khuẩn với stress môi trường

Vi khuẩn thường xuyên phải đối mặt với những thay đổi về nhiệt độ, độ axit, áp suất thẩm thấu, nguồn dinh dưỡng và điều kiện oxy hóa. Chúng tồn tại bằng cách thiết lập các phản ứng stress phối hợp nhằm lập trình lại biểu hiện gen và sinh lý. Các phản ứng này bao gồm từ các hệ thống chuyên biệt cho một tác nhân gây stress duy nhất, như stress thẩm thấu hoặc stress nhiệt, đến một phản ứng stress tổng quát rộng lớn bảo vệ tế bào chống lại nhiều điều kiện bất lợi cùng một lúc.

Definition

Phản ứng stress của vi khuẩn là một sự thay đổi được điều hòa trong biểu hiện gen và sinh lý, qua đó vi khuẩn cảm nhận một điều kiện môi trường bất lợi và điều chỉnh để tồn tại, từ các hệ thống chuyên biệt cho tác nhân gây stress đến các chương trình bảo vệ rộng lớn, đa tác nhân gây stress.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phản ứng chính của vi khuẩn đối với stress môi trường: phản ứng stress tổng quát (pha tĩnh), điều hòa áp suất thẩm thấu, phản ứng stress nhiệt và axit, phản ứng stress oxy hóa, phản ứng nghiêm ngặt do thiếu hụt dinh dưỡng, và hiện tượng tế bào tồn tại dai dẳng (persister cells) có khả năng chịu stress. Đây là một chủ đề tham khảo trong sinh lý học vi sinh vật và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Vi khuẩn cảm nhận và phản ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng như thế nào?
• Phản ứng stress tổng quát là gì và nó bảo vệ chống lại điều gì?
• Vi khuẩn đối phó với stress thẩm thấu, oxy hóa và dinh dưỡng như thế nào?
• Tại sao một số tế bào vi khuẩn bị stress lại trở thành tế bào tồn tại dai dẳng không hoạt động?

Key concepts

• Phản ứng stress tổng quát và yếu tố sigma RpoS
• Điều hòa áp suất thẩm thấu và các chất hòa tan tương thích
• Phản ứng sốc nhiệt và stress axit
• Phản ứng stress oxy hóa
• Phản ứng nghiêm ngặt và (p)ppGpp
• Tế bào tồn tại dai dẳng và trạng thái không hoạt động

Mechanisms

Vi khuẩn phát hiện stress thông qua các cảm biến làm thay đổi hoạt động của các yếu tố điều hòa kiểm soát các gen bảo vệ. Ở nhiều vi khuẩn, một phản ứng stress tổng quát, được điều khiển bởi yếu tố sigma thay thế RpoS, khởi động một chương trình bảo vệ rộng lớn khi tế bào bước vào pha tĩnh hoặc gặp điều kiện bất lợi (Battesti et al., 2011). Các phản ứng chuyên biệt bao gồm tích lũy các chất hòa tan tương thích để chống lại stress thẩm thấu (Csonka, 1991), cảm ứng các chaperone trong sốc nhiệt, và giải độc các loại oxy phản ứng trong stress oxy hóa. Thiếu hụt dinh dưỡng kích hoạt phản ứng nghiêm ngặt thông qua (p)ppGpp, làm chậm sự phát triển và chuyển hướng nguồn lực (Potrykus & Cashel, 2008). Một phần nhỏ tế bào có thể chuyển sang trạng thái tồn tại dai dẳng (persister state) không hoạt động, chịu stress, có thể sống sót trong các điều kiện gây chết cho các tế bào đang phát triển (Lewis, 2010).

Clinical relevance

Các phản ứng stress giúp vi khuẩn sống sót trong các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm cả những điều kiện gặp phải trong quá trình nhiễm trùng, và các tế bào tồn tại dai dẳng không hoạt động có liên quan đến khó khăn trong việc loại bỏ một số bệnh nhiễm trùng mãn tính và tái phát. Các phản ứng stress axit và oxy hóa có liên quan đến cách vi khuẩn chống lại hệ thống phòng thủ của vật chủ. Chủ đề này mô tả các cơ chế sống sót này nhằm mục đích tìm hiểu và không cung cấp khuyến nghị chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Nghiên cứu từ những năm 1980 trở đi đã tiết lộ rằng vi khuẩn sở hữu các hệ thống điều hòa chuyên biệt để đối phó với các stress cụ thể như nhiệt, axit và áp suất thẩm thấu cao (Csonka, 1991), và xác định một phản ứng stress tổng quát rộng lớn được phối hợp bởi yếu tố sigma RpoS (Battesti et al., 2011). Khái niệm về các tế bào tồn tại dai dẳng không hoạt động, lần đầu tiên được ghi nhận vào giữa thế kỷ XX, đã được khôi phục như một hiện tượng sống sót dưới stress riêng biệt trong vi sinh vật học hiện đại (Lewis, 2010), liên kết sinh lý học stress với sự dai dẳng của nhiễm trùng.

Key figures

• Susan Gottesman
• Laszlo Csonka
• Kim Lewis

Seminal works

• battesti-2011
• csonka-1991
• lewis-2010

Frequently asked questions

Phản ứng stress tổng quát của vi khuẩn là gì?

Đây là một chương trình bảo vệ rộng lớn, ở nhiều vi khuẩn được kiểm soát bởi yếu tố sigma thay thế RpoS, kích hoạt nhiều gen để bảo vệ tế bào chống lại một loạt các điều kiện bất lợi, điển hình là khi tế bào ngừng phát triển hoặc gặp stress.

Tế bào tồn tại dai dẳng (persister cells) là gì?

Tế bào tồn tại dai dẳng là một quần thể phụ nhỏ, không hoạt động của vi khuẩn có khả năng chịu đựng stress, bao gồm cả những điều kiện gây chết cho các tế bào đang phát triển tích cực, mà không có khả năng kháng thuốc di truyền; chúng có liên quan đến khó khăn trong việc loại bỏ một số bệnh nhiễm trùng mãn tính.