Ứng Dụng Xạ Khuẩn Streptomyces Trong Sản Xuất

Ứng dụng xạ khuẩn Streptomyces trong sản xuất

Streptomyces sp. đã được công nhận rộng rãi là vi sinh vật công nghiệp quan trọng do tiềm năng của nó trong việc sản xuất đa dạng các chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm cả thuốc kháng sinh, tác nhân kháng u, chống ký sinh trùng, thuốc ức chế miễn dịch, và các enzyme. Một số hoạt chất và sản phẩm tiêu biểu từ xạ khuẩn:

Thuốc kháng sinh: streptomycin, erythromycin, tetracyclin, neomycin, chloramphenicol, vancomycin, gentamicin.
Thuốc kháng nấm: nystatin, amphotericin.
Thuốc chống ung thư: doxorubicin, bleomycin, mitomycin.
Thuốc ức chế miễn dịch: rapamycin.
Thuốc diệt cỏ: bialaphos.

Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi muốn giới thiệu tổng quan về nhóm xạ khuẩn Streptomyces và tiềm năng ứng dụng xạ khuẩn trong các lĩnh vực nông nghiệp, thực phẩm, nuôi trồng thủy sản và y dược.

Xạ khuẩn Streptomyces là gì?

Xạ khuẩn (danh pháp khoa học: Actinobacteria; tiếng Anh: Actinomycetes) là một nhóm vi khuẩn thật (Eubacteria) phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Trước kia được xếp vào nhóm Tản thực vật (tức nấm), nhưng ngày nay chúng được xếp vào nhóm vi khuẩn (Schizomycetes).

Phân loại xạ khuẩn Streptomyces

Streptomyces là chi lớn nhất của ngành Actinobacteria và là một chi thuộc nhánh Streptomycetaceae.

Tính đến nay, có hơn 500 loài vi khuẩn Streptomyces đã được mô tả.

Giống như hầu hết các Actinobacteria khác, Streptomyces là vi khuẩn Gram dương, có bộ gen với tỉ lệ GC% cao. Vi khuẩn này được tìm thấy chủ yếu trong đất và thảm thực vật mục nát.

Đặc điểm xạ khuẩn Streptomyces

Streptomyces có cấu trúc giống nấm và một số người lầm tưởng Streptomyces là nấm. Nhánh của chúng có sự sắp xếp của các tế bào hình sợi thành một mạng lưới gọi là sợi nấm. Chúng có thể chuyển hóa các hợp chất khác nhau bao gồm: đường, rượu, acid amin, và các hợp chất thơm bằng cách sản xuất các enzyme thủy phân ngoại bào. Do gen của chúng lớn nên trao đổi chất của chúng cũng đa dạng, trong đó có hàng trăm nhân tố phiên mã kiểm soát biểu hiện gene, cho phép chúng đáp ứng nhu cầu cụ thể.

Streptomyces sinh bào tử, tạo mùi đặc trưng, là kết quả từ sản sinh geosmin trong quá trình chuyển hóa các chất.

Streptomyces được nghiên cứu rộng rãi và được biết đến nhiều nhất là chi của họ xạ khuẩn (Actinomyces).

Môi trường nuôi cấy xạ khuẩn Streptomyces

Để phân lập xạ khuẩn Streptomyces người ta thường dùng phương pháp thạch đĩa với các môi trường dành riêng cho xạ khuẩn như các môi trường GauseI, GauseII, môi trường Krasilnicov, hệ thống môi trường ISP.

Photo by V. Krejzar

Vai trò của xạ khuẩn Streptomyces

Streptomyces thường sống ở đất có vai trò là vi sinh vật phân hủy rất quan trọng.

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của xạ khuẩn là khả năng hình thành kháng sinh. Trong số 8000 kháng sinh hiện nay thì trên thế giới có trên 80% là có nguồn gốc từ xạ khuẩn.

Các kháng sinh có nguồn gốc từ xạ khuẩn có tính phổ kháng khá rộng. Là kháng sinh có tính chất chọn lọc.

Khả năng kháng khuẩn của kháng sinh là một đặc điểm quan trọng để phân loại xạ khuẩn. Nhiều chủng xạ khuẩn có khả năng tổng hợp đồng thời 2 hay nhiều chất kháng sinh có cấu trúc hóa học và có tác dụng tương tự nhau. Quá trình sinh tổng hợp kháng sinh phụ thuộc vào cơ chế điều chỉnh đa gene, ngoài các gene chịu trách nhiệm tổng hợp kháng sinh, còn có các enzyme chịu trách nhiệm tổng hợp các tiền chất và cofactor.

Ứng dụng xạ khuẩn Streptomyces trong nuôi trồng Thủy sản

Để đáp ứng nhu cầu thủy sản ngày càng tăng từ dân số ngày một phát triển, nuôi trồng thủy sản đã trở thành ngành sản xuất thực phẩm động vật phát triển nhanh nhất. Tuy nhiên, việc sử dụng bừa bãi kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản đã dẫn đến sự xuất hiện của các vi khuẩn kháng kháng sinh.

Probiotics được xem là sự bổ sung vi sinh sống nhằm phát huy tác dụng có lợi trên các cơ thể vật chủ cũng như cải thiện các thông số môi trường. Probiotics đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc cải thiện tình trạng tăng trưởng, sự sống và sức khỏe của các loài thủy sản nuôi.

Đánh giá này nhằm mục đích để làm nổi bật việc sử dụng xạ khuẩn Streptomyces như là một loại probiotics tiềm năng để sản xuất các chế phẩm sinh học trong nuôi trồng thủy sản.

Các nghiên cứu cho thấy rằng các thức ăn bổ sung Streptomyces có thể bảo vệ cá và tôm không bị nhiễm các mầm bệnh cũng như gia tăng sự phát triển của các sinh vật dưới nước.

Việc sản xuất một loạt các hợp chất hóa học phổ rộng của Streptomyces đã mang lại lợi thế về sản xuất các hợp chất đối kháng và kháng khuẩn tiềm năng mà có thể có giá trị để dùng làm chế phẩm sinh học trong nuôi trồng thủy sản.

Khả năng sản xuất các hợp chất đối kháng có thể giúp các chế phẩm sinh học cạnh tranh các chất dinh dưỡng và các địa điểm gắn bó trong vật chủ.

Khả năng sản xuất bacteriocins, siderophores, enzyme (protease, amylase, lipase), hydrogen peroxide và các axit hữu cơ đã được ghi nhận từ các chế phẩm sinh học dùng trong nuôi trồng thủy sản. You et al. (2005) ghi nhận một chủng Streptomyces. sinh ra siderophores hoạt động và cho rằng việc sử dụng Streptomyces sp có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của mầm bệnh Vibrio sp. bởi sự cạnh tranh đối với sắt trong môi trường nước.

Siderophores là chất tạo phức ion sắt có khối lượng phân tử thấp mà thường được sản xuất bởi các vi sinh vật và thực vật trong điều kiện sắt hạn chế (Ahmed và Holmstrom, 2014).

Probiotics với khả năng sản xuất siderophores được cho là chiến thắng các tác nhân gây bệnh bằng cách hạn chế hiệu lực sinh học của sắt và dẫn đến sự suy giảm tăng trưởng của các tác nhân gây bệnh do sắt cần thiết cho sự phát triển cũng như hình thành màng sinh học (Weinberg, 2004).

Ngoài ra, Streptomyces cũng đã được chứng minh sản sinh các hợp chất ức chế và chất chuyển hóa có liên quan đến sự suy giảm của việc hình thành màng sinh học, hoạt động cảm biến chống lại các tác nhân gây bệnh (You et al., 2007) và các hoạt động chống độc lực vi khuẩn Vibrio sp. (Iwatsuki et al., 2008).

Bên cạnh hiệu ứng ức chế vi khuẩn gây bệnh trong nuôi trồng thủy sản, Streptomyces cũng đã được ghi nhận có các hoạt động chống virus, đặc biệt đối với các virus gây hội chứng đốm trắng (WSSV; Jenifer et al, 2015).

Ứng dụng xạ khuẩn Streptomyces trong Nông nghiệp

Việc sử dụng kháng sinh trong trồng trọt nhằm mục đích như chống bệnh do nấm gây ra trên rau quả và cây trồng, chống bệnh do vi khuẩn gây ra, diệt côn trùng và cỏ dại….kiềm chế các bệnh thực vật sinh ra từ đẩt.

So với thuốc hóa học, dùng các chất kháng sinh trong bảo vệ thực vật vừa có tác dụng nhanh, dễ phân hủy, có tác dụng chọn lọc cao, độ độc thấp không gây ô nhiễm môi trường, còn có khả năng ức chế các vi sinh vật đã kháng thuốc hóa học.

Chất kháng sinh và dịch lên men các chủng sinh kháng sinh còn dùng xử lý các hạt giống với mục đích tiêu diệt nguồn bệnh ở bên ngoài và trong hạt, diệt bệnh cả ở các bộ phận nằm trên đất của cây và khử trùng đất.

Sự đối kháng giữa các vi sinh vật trong đất là cơ sở của biện pháp sinh học phòng chống bệnh cây. Sự có mặt của xạ khuẩn đối kháng trong đẩt làm giảm rõ rệt tỉ lệ mắc bệnh của cây. Thông thường một loại xạ khuẩn đối kháng có thể ức chế một vài loại nấm gây bệnh nhưng có những loài hoạt động rộng có thể ức chế nhiều tác nhân gây bệnh có trong đất.

Không phải tất cả có hoạt tính kháng nấm in vitro đều thể hiện trong đất (khoảng 4 – 5 %) nhưng chúng có vai trò quan trọng trong việc ức chế nấm gây bệnh và ngăn ngừa khả năng nhiễm bệnh cho cây. Đây là quy luật cân bằng sinh học trong tự nhiên. Nếu sự cân bằng mất đi, lập tứ sẽ nảy sinh ra bệnh khi trong đất có mầm gây bệnh.

Xạ khuẩn chống nấm ngoài việc tiết kháng sinh, còn tác dụng lên khu hệ vi sinh vật thông qua các enzyme phân giải. Ngoài ra, nhiều xạ khuẩn còn tiết ra chất sinh trưởng thực vật cũng như kích thích các khu hệ vi sinh vật có lợi trong vùng rễ.

Năm 2002 tại Ấn Độ đã phân lập được chủng Streptomyces sp. 201 có khả năng sinh kháng sinh mới là z – methylheptyl iso- nicotinate, chất kháng sinh này có khả năng kháng được nhiều loại nấm gây bệnh như Furasium oxysporum, F. solina…..

Ở Việt Nam cũng sử dụng nhiều chế phẩm kháng sinh trong bảo vệ thực nhập khẩu từ Trung Quốc hay Nhật Bản và đã phân lập được một số chủng xạ khuẩn có khả năng chống Pyricularia oryae gây bệnh đạo ôn và F. oxysporum gây bệnh thối rễ ở thực vật. Tuy nhiên việc sử dụng chất kháng sinh trong lĩnh vực bảo vệ thực vật ở nước ta còn ở mức độ thấp bởi tập quán canh tác chỉ quen dùng một số hóa chất bảo vệ thực vật nhất định.

Một số chủng xạ khuẩn Streptomyces được dùng trong nghiên cứu ứng dụng:

>>> Nhóm xạ khuẩn Steptomyces: xem tại đây

Theo Wikipedia, FISTANET

www.chungvisinh.com