Nghiên cứu về tảo cát và vi khuẩn: Giải mã mối liên hệ bí ẩn

Các cộng đồng tảo cát (diatom) đóng một vai trò quan trọng trong các hệ sinh thái biển khơi. Chúng đó làm giảm đáng kể lượng khí carbon dioxide gây hiệu ứng nhà kính và là cơ sở cho chuỗi thức ăn hiệu quả với ít bậc dinh dưỡng.

Thế nên không có gì lạ khi tảo cát đã là chủ đề được nghiên cứu trên nhiều khía cạnh khác nhau trong suốt nhiều thập kỷ qua. Và một trong những khía cạnh được chú ý là sự tương tác của tảo với vi khuẩn dị dưỡng - vi khuẩn cung cấp cho các loại tảo này các yếu tố tăng trưởng thiết yếu như vitamin B1 và ​​B12 hoặc hormone tăng trưởng indole 3-acetic acid nhưng cũng nhận các hợp chất từ ​​tảo cát như vitamin B7 hoặc phenylalanine. Vi khuẩn cũng có thể tạo ra các chất diệt tảo làm suy yếu sự phát triển của tế bào vật chủ tảo cát. Bên cạnh đó, vi khuẩn "định cư" có thể phát hiện và bám vào các tế bào tảo cát nhờ các gene chuyên biệt. Do những tương tác cụ thể như vậy, mỗi loài tảo cát chứa các cộng đồng vi khuẩn cộng sinh riêng biệt.

Để điều tra sự tương tác giữa tảo cát biển và vi khuẩn, nhiều chủng tảo cát đã được sử dụng làm sinh vật chủ mô hình trong các thí nghiệm khác nhau. Song, hình dung về các tương tác vật lý giữa tảo cát này và những quần thể sống trên chúng vẫn còn rất hạn chế.

Câu hỏi còn bỏ ngỏ này đã thôi thúc nghiên cứu sinh tiến sỹ Trần Quốc Dẹn và các cộng sự ở Đại học Oldenburg (Đức) đi tìm câu trả lời, và mới đây nhóm đã công bố các phát hiện mới trong bài báo “Distinct glycoconjugate cell surface structures make the pelagic diatom Thalassiosira rotula an attractive habitat for bacteria” trên tạp chí Journal of Phycology.

Lần đầu tiên chứng minh ở cấp độ vi mô

Chúng ta đã biết rằng, tảo đơn bào là môi trường sống hấp dẫn và đa dạng đối với các vi khuẩn biển. Trong đó, tảo cát là một loại thực vật phù du quan trọng, chủ yếu là tảo đơn bào cực nhỏ sống trong các đại dương trên thế giới. Được bao bọc trong lớp vỏ silicat rắn, tảo cát tạo ra khoảng 1/5 lượng oxy trong bầu khí quyển của Trái đất và cũng chuyển đổi carbon dioxide từ không khí thành sinh khối trong quá trình quang hợp, liên kết nhiều CO2 hơn so với rừng mưa nhiệt đới, do đó chúng đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon và khí hậu.

“Tảo cát sống gần gũi với vi khuẩn, tuy nhiên cho đến nay người ta mới chỉ biết rất ít về các khía cạnh trong sự tương tác của chúng”, GS.TS Meinhard Simon - nhà vi trùng học làm việc tại Đại học Oldenburg, người dẫn đầu nghiên cứu giải thích trong Thông cáo báo chí. Đó là lý do ông và nhóm nghiên cứu của mình đã tiến hành đánh giá kỹ hơn các tương tác vi mô này - yếu tố có tầm quan trọng sống còn đối với hệ sinh thái và hóa sinh của các đại dương - trong công trình của mình.

Theo đó, để tiến hành nghiên cứu, GS.TS Simon, TS. Sara Billerbeck và nghiên cứu sinh Trần Quốc Dẹn đã chọn một loại tảo cát thường xuất hiện phổ biến có tên là Thalassiosira rotula và sử dụng nhiều phương pháp kính hiển vi khác nhau để tiến hành phân tích chi tiết quá trình xâm lấn của vi khuẩn.

Thực tế, các nghiên cứu trước đây cũng đã sử dụng kính hiển vi điện tử và quang học để nghiên cứu loại tảo này. Tuy nhiên, dù đã được nghiên cứu nhiều năm, các công trình trước đây vẫn thể hiện một loạt các nhược điểm như: kính hiển vị có độ phóng đại thấp và độ phân giải kém, hoặc quá trình chuẩn bị các mẫu tảo cát bao gồm rửa axit hoặc làm khô điểm tới hạn để truyền qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) làm ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Do đó, các cấu trúc hữu cơ trên bề mặt tế bào Thalassiosira rotula và sự phân bố tại chỗ của chúng đã bị ảnh hưởng đáng kể và vì vậy, hầu như hoặc hoàn toàn không được các nhà nghiên cứu xem xét.

Để khắc phục nhược điểm ấy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang để chứng minh rằng bề mặt của loại tảo này thể hiện các biến thể sinh hóa khác biệt ở cấp độ vi mô, đồng thời sử dụng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM). Cụ thể, nhóm đã chọn và sử dụng lectin - các hợp chất sinh hóa phức tạp liên kết rất đặc biệt với một số phức hợp protein-carbohydrate nhất định - để đánh dấu các khu vực khác nhau trên bề mặt của tảo và nhuộm màu chúng. Với sự trợ giúp của kính hiển vi đặc biệt, các khu vực được đánh dấu và nhuộm màu này có thể được nhìn thấy dưới dạng hình ảnh 3D.

Để điều tra các tương tác đã xác định của chủng này với vi khuẩn, chủng mới đã được nuôi cấy vi sinh và được nuôi cấy đồng thời với một cộng đồng vi khuẩn tự nhiên và trong tổ hợp hai hoặc ba đối tác với các vi khuẩn khác nhau thuộc nhóm Roseobacter, Gammaproteobacteria và Bacteroidetes. Phân tích CLSM đã xác định sáu trong số 78 loại lectin khác nhau rất phù hợp để mô tả đặc điểm của tảo Thalassiosira rotula.

Theo đó, các vi khuẩn định cư cho thấy các mô hình "đính kèm" khác nhau, chẳng hạn như chỉ bám vào các sợi tảo cát hoặc gắn vào cả bề mặt và các sợi của tảo cát. Điều thú vị là các mô hình xâm lấn của các vi khuẩn đơn lẻ khác biệt rõ rệt so với các mô hình nuôi cấy vi khuẩn, cho thấy rằng sự tương tác giữa hai loài vi khuẩn đã ảnh hưởng đến quá trình xâm lấn của tảo cát.

Với cách làm này, nhóm nghiên cứu đã lần đầu tiên đã chỉ ra cách các loài vi khuẩn khác nhau có xu hướng xâm chiếm các phần khác nhau của một tảo cát cực nhỏ, qua đó làm sáng tỏ các tương tác phức tạp giữa tảo và vi khuẩn có tầm quan trọng cơ bản đối với các chu trình vật chất và lưới thức ăn trong môi trường biển. Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng có thể chứng minh rằng bề mặt tảo thể hiện các biến thể sinh hóa khác biệt ở cấp độ vi mô, và sự xâm chiếm của các loài vi khuẩn khác nhau được tinh chỉnh theo cấu trúc này.

Tiền đề cho nghiên cứu về chức năng của vi khuẩn

Trong số các loài vi khuẩn khác nhau chuyên định cư ở các khu vực khác nhau của tảo, các vi khuẩn được quan sát chủ yếu thuộc nhóm Roseobacter và chủng Flavobacteria.

“Bề mặt tế bào của tảo cát có cấu trúc đa dạng một cách đáng ngạc nhiên. Chúng tôi không ngờ rằng sự xâm nhập của các loài vi khuẩn khác nhau lại được điều chỉnh một cách tinh vi đến vậy theo cấu trúc này”, GS.TS Simon giải thích. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy rằng một số loài vi khuẩn thường được tìm thấy trên những sợi lông mịn hoặc “sợi chỉ” trên bề mặt của tảo. “Các mô hình xâm lấn phản ánh đặc tính trao đổi chất rất đa dạng của các loài vi khuẩn khác nhau và khả năng xâm chiếm các bề mặt của chúng”, GS.TS Simon cho biết.

Theo nhóm nghiên cứu, những kết quả này rất thú vị vì chúng cung cấp cái nhìn sâu sắc về môi trường vi mô của tảo cát - vốn được gọi là “phycosphere” (tạm dịch là phi quyển) - một môi trường này rất giàu chất hữu cơ do tế bào tảo bài tiết ra.

“Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tảo sử dụng môi trường vi mô này để thu hút một số vi khuẩn tạo ra các chất quan trọng cho sự sống của chúng, ví dụ như vitamin – tương tự như cách thực vật thu hút ong bằng hoa của chúng”, GS.TS Simon giải thích thêm. “Dựa trên những phát hiện mới này, các nghiên cứu trong tương lai có thể sẽ đi vào đánh giá chi tiết hơn chức năng chính xác của các loài vi khuẩn khác nhau trong phi quyển”.