Vi khuẩn tiến hoá kháng kháng sinh bằng chọn lọc tự nhiên: trong hàng tỷ tế bào luôn có vài con mang đột biến ngẫu nhiên giúp chịu thuốc, kháng sinh giết những con còn lại, và con sống sót sinh sôi thành cả quần thể kháng thuốc. Năm 2016, các nhà khoa học tại Trường Y Harvard cho người ta nhìn thấy quá trình này bằng mắt thường trên một đĩa thạch khổng lồ, gọi là đĩa MEGA. Chỉ trong khoảng mười ngày, vi khuẩn E. coli đã vượt qua các dải thạch chứa kháng sinh đậm đặc gấp hàng nghìn lần mức đủ giết chúng lúc đầu.
Đĩa MEGA là gì
Nhóm của Michael Baym và Roy Kishony ở Trường Y Harvard muốn trả lời một câu hỏi đơn giản: vi khuẩn từng bước trở nên kháng thuốc như thế nào trong một không gian thật, nơi chúng phải bơi, lan ra và cạnh tranh? Thí nghiệm trong ống nghiệm thường trộn đều mọi thứ, nên không thấy được yếu tố không gian.
Họ chế tạo một khay chữ nhật cỡ khoảng 60 × 120 cm, đổ thạch dinh dưỡng thành các dải song song. Tên MEGA là viết tắt tiếng Anh của Microbial Evolution and Growth Arena, tạm hiểu là "đấu trường tiến hoá và sinh trưởng của vi sinh vật". Cách bố trí:
| Vị trí | Nồng độ kháng sinh |
|---|---|
| Hai dải ngoài cùng | Không có kháng sinh, vi khuẩn được thả ở đây |
| Dải tiếp theo | Vừa đủ cao để vi khuẩn ban đầu không mọc được |
| Các dải vào trong | Mỗi dải đậm hơn dải trước khoảng mười lần |
| Dải giữa | Đậm nhất, gấp hàng nghìn lần mức đủ giết vi khuẩn ban đầu |
Lớp thạch trên cùng mềm để vi khuẩn có thể bơi, còn lớp dưới chứa kháng sinh. Thạch được nhuộm sẫm màu để những đám khuẩn lạc màu trắng nổi bật, và một máy quay chụp liên tục từ trên xuống.
Điều đã xảy ra trên đĩa
Vi khuẩn ban đầu nhanh chóng phủ kín hai dải không có thuốc, rồi dừng lại trước dải thứ hai như gặp một bức tường. Một thời gian sau, ở vài điểm dọc bức tường, xuất hiện những nhánh nhỏ vượt qua. Đó là những tế bào mang đột biến giúp chịu được nồng độ đó. Chúng lan ra, phủ kín dải mới, rồi lại dừng trước dải đậm hơn. Quá trình lặp lại từng bậc cho tới dải giữa.
Với kháng sinh trimethoprim, toàn bộ hành trình từ ngoài vào giữa mất khoảng mười một ngày. Đoạn phim tua nhanh trông giống như những dòng sông trắng phân nhánh chảy về trung tâm. Chính hình ảnh này khiến thí nghiệm, công bố trên tạp chí Science năm 2016, được chia sẻ rất rộng.
Những điều đĩa MEGA cho thấy
1. Kháng thuốc tăng theo từng bậc
Không có "siêu vi khuẩn" nào xuất hiện một lần là kháng tuyệt đối. Mỗi lần vượt một dải là một đột biến mới cộng thêm vào đột biến cũ. Nhóm nghiên cứu giải trình tự gen của vi khuẩn lấy ở nhiều vị trí và dựng được "cây phả hệ" của các dòng kháng thuốc. Với trimethoprim, nhiều đột biến nằm ở gen mã hoá chính enzyme mà thuốc nhắm tới.
2. Con kháng nhất không phải lúc nào cũng thắng
Một phát hiện thú vị: đôi khi một dòng kháng rất tốt xuất hiện phía sau, nhưng bị kẹt vì dòng khác đã chiếm chỗ phía trước, chiếm hết thức ăn. Dòng tiên phong không nhất thiết là dòng kháng mạnh nhất, mà là dòng đến đúng chỗ đúng lúc. Không gian và thời gian quan trọng không kém sức mạnh của đột biến.
3. Kháng thuốc có cái giá, và vi khuẩn bù lại
Một số đột biến kháng thuốc làm vi khuẩn mọc chậm hơn khi không có thuốc. Trên đĩa MEGA, người ta thấy sau đó có các đột biến "bù trừ" giúp vi khuẩn kháng thuốc mọc nhanh trở lại. Điều này giải thích vì sao ngừng dùng một loại kháng sinh không làm vi khuẩn kháng biến mất ngay: chúng đã sửa được điểm yếu của mình.
Bốn cách vi khuẩn kháng thuốc
Ở mức tế bào, các cơ chế kháng kháng sinh chính có thể tóm lại như sau:
- Đổi mục tiêu. Đột biến làm phân tử mà thuốc nhắm tới đổi hình dạng, thuốc không bám được nữa.
- Phá thuốc. Vi khuẩn tạo enzyme cắt hoặc biến đổi phân tử thuốc. Ví dụ quen thuộc là các enzyme phá vòng beta-lactam của nhóm penicillin.
- Bơm thuốc ra. Các "máy bơm" trên màng tế bào đẩy thuốc ra ngoài trước khi kịp tác dụng.
- Đóng cửa. Màng tế bào bớt kênh cho thuốc đi vào.
Điều làm kháng kháng sinh lan nhanh ngoài đời thực là vi khuẩn không chỉ truyền gen từ mẹ sang con. Chúng có thể trao gen cho nhau qua các vòng ADN nhỏ gọi là plasmid, kể cả giữa các loài vi khuẩn khác nhau. Hiện tượng này gọi là chuyển gen ngang. Một gen kháng thuốc xuất hiện ở vi khuẩn sống trong đất hay trong ruột động vật có thể, qua nhiều bước, tới vi khuẩn gây bệnh cho người. Đĩa MEGA chỉ thể hiện con đường đột biến, nhưng trong tự nhiên cả hai con đường cùng diễn ra.
Kháng thuốc có trước cả khi con người dùng kháng sinh
Nhiều người nghĩ kháng kháng sinh là vấn đề "mới". Thực ra, kháng sinh là vũ khí tự nhiên mà vi sinh vật trong đất đã dùng để cạnh tranh với nhau từ hàng triệu năm. Các gen kháng thuốc cũng cổ như vậy. Các nhà khoa học đã tìm thấy gen kháng một số kháng sinh trong vi khuẩn từ lớp băng vĩnh cửu hàng chục nghìn năm tuổi, và trong vi khuẩn từ những hang động bị cô lập khỏi thế giới bên ngoài rất lâu.
Ngay cả với penicillin, năm 1940, trước khi thuốc được dùng rộng rãi, Edward Abraham và Ernst Chain đã mô tả một enzyme của vi khuẩn có khả năng phá penicillin. Alexander Fleming, người phát hiện penicillin, cũng nhiều lần cảnh báo rằng vi khuẩn có thể trở nên kháng thuốc.
Điều con người thay đổi không phải là tạo ra kháng thuốc, mà là tạo ra áp lực chọn lọc khổng lồ. Kháng sinh được dùng với lượng rất lớn trong y tế và chăn nuôi, khiến những gen kháng vốn hiếm có lợi thế áp đảo và lan rộng.
Mốc thời gian: kháng sinh và kháng thuốc
- 1928: Fleming quan sát nấm Penicillium ức chế vi khuẩn trên đĩa nuôi cấy.
- 1940: Abraham và Chain mô tả enzyme vi khuẩn phá penicillin.
- Thập niên 1940: Penicillin được sản xuất hàng loạt và đưa vào điều trị.
- Những năm sau đó: mỗi khi một nhóm kháng sinh mới được dùng rộng rãi, các chủng kháng thuốc thường được ghi nhận sau vài năm tới vài chục năm.
- 2016: thí nghiệm đĩa MEGA cho thấy tiến hoá kháng thuốc bằng hình ảnh trong khoảng mười ngày.
Góc nhìn hôm nay
Đĩa MEGA không phải thí nghiệm đầu tiên chứng minh vi khuẩn tiến hoá kháng thuốc. Nhưng nó là một trong những cách giải thích trực quan nhất về chọn lọc tự nhiên từng được làm ra. Ai đã xem đoạn phim tua nhanh đều hiểu ngay vì sao một áp lực chọn lọc mạnh, cộng với số lượng cá thể khổng lồ và thế hệ ngắn, có thể tạo ra thay đổi nhanh như vậy.
Bài này chỉ bàn về khía cạnh tiến hoá. Dùng kháng sinh nào, liều bao nhiêu, trong bao lâu là chuyện của bác sĩ và dược sĩ. Những câu hỏi về sức khoẻ cá nhân cần được hỏi trực tiếp nhân viên y tế. Với người muốn hiểu thêm về khoa học, có thể tìm đoạn phim tua nhanh của thí nghiệm do nhóm Harvard công bố, đọc bài gốc trên Science năm 2016, và tìm hiểu thêm về thí nghiệm tiến hoá dài hạn của Richard Lenski với E. coli như một câu chuyện song hành.
Câu hỏi thường gặp
Vi khuẩn kháng kháng sinh bằng cách nào?
Vi khuẩn kháng thuốc nhờ đột biến hoặc nhận gen kháng từ vi khuẩn khác. Các cơ chế chính gồm đổi mục tiêu của thuốc, tạo enzyme phá thuốc, bơm thuốc ra ngoài và giảm lượng thuốc đi vào tế bào. Kháng sinh chọn lọc những con kháng, để chúng sinh sôi.
Thí nghiệm đĩa MEGA là gì?
Đó là thí nghiệm của nhóm Harvard công bố năm 2016, dùng một khay thạch lớn chia dải với nồng độ kháng sinh tăng dần vào giữa. Vi khuẩn E. coli tiến hoá từng bậc và vượt qua dải giữa, đậm gấp hàng nghìn lần mức đủ giết chúng ban đầu, trong khoảng mười một ngày.
Kháng sinh có làm vi khuẩn đột biến không?
Phần lớn đột biến kháng thuốc xuất hiện ngẫu nhiên khi vi khuẩn sao chép ADN, không phụ thuộc vào việc có thuốc hay không. Kháng sinh đóng vai trò bộ lọc: giết những con không kháng và để những con kháng sống sót, sinh sôi.
Vì sao vi khuẩn kháng thuốc nhanh như vậy?
Vi khuẩn có số lượng khổng lồ và có thể nhân đôi trong khoảng vài chục phút ở điều kiện thuận lợi. Một đột biến hiếm vẫn xuất hiện thường xuyên trong hàng tỷ tế bào, và chọn lọc mạnh nhanh chóng đẩy nó lên. Chuyển gen ngang còn giúp gen kháng lan giữa các loài.
Kháng kháng sinh có phải chỉ do con người gây ra?
Không. Gen kháng thuốc đã có trong tự nhiên từ hàng triệu năm, vì vi sinh vật trong đất tự tạo kháng sinh để cạnh tranh. Con người làm vấn đề trầm trọng bằng cách dùng lượng kháng sinh rất lớn, tạo áp lực chọn lọc khiến gen kháng lan rộng.