Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rARN docx

Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rARN


Dựa trên so sánh trình tự 16S rARN các đại diện cổ khuẩn đã phân lập được
chia thành hai nhóm chính là Euryarchaeota và Crenarchaeota (Hình 4,5).
Euryarchaeota là nhóm cổ khuẩn được biết rõ nhất, bao gồm nhiều loài sinh
methane, cổ khuẩn ưa mặn, khử sulfat (Archaeoglobales),
Thermoplasmalates và Thermococcales. Nhóm Crenarchaeota gồm ba lớp
Desulfococcales, Sulfolobales và Thermoproteales. Sau này nhóm cổ khuẩn
Korarchaeota được đề xuất thêm (Hình 6), tuy nhiên chỉ dựa trên các trình
tự 16S rADN có được từ các mẫu ADN tách trực tiếp từ môi trường chứ
chưa có đại diện nào được phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.



Hình 4. Các đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Crenarchaeota và
Euryarchaeota.

Hình 5. Hình thái một số đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota
và Crenarchaeota

Hình 6 Mối liên quan phả hệ của ba
nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota và
Crenarchaeota và Korarchaeota
Hình 7 Nanoarchaeum equitans
(cầu khuẩn nhỏ) trên bề mặt
Ignicoccus sp. (cầu khuẩn lớn)

Gần đây (2002), nhóm nghiên cứu của giáo sư Stetter, một trong
những nhà nghiên cứu cổ khuẩn hàng đầu thế giới, công bố sự hiện diện của
nhóm cổ khuẩn thứ tư, Nanoarchaeota, gồm những cổ khuẩn có kích thước

rất nhỏ với một đại diện duy nhất được tìm thấy là Nanoarchaeum equitans
(Hình 7). Loài cổ khuẩn này có tế bào hình cầu, đường kính 400 nm, sống
bám trên bề mặt tế bào của một loài cổ khuẩn mới Ignicoccus sp., phân lập
từ mẫu nước nóng ở độ sâu 106 m dưới đáy biển. Đây là một loài ưa nhiệt
cực đoan, phát triển ở nhiệt độ tối ưu 75-98 C. Nhiều trình tự 16S rARDN
trực tiếp có được từ môi trường có nhiệt độ cao cũng khẳng định sự tồn tại
và khác biệt của nhóm Nanoarchaeota so với các nhóm cổ khuẩn còn lại.

Đa dạng và các nhóm cổ khuẩn đại diện
Xét về các đặc điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân thành bốn nhóm chính là
sinh methane (methanogens), cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-therrmophiles),
cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) và cổ khuẩn ưa acid (acidophiles) thuộc lớp
Thermoplasmatales với nhiều đại diện đã được phân lập và nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm (Hình 8).


Hình 8. Đại diện các nhóm cổ khuẩn chính

Cổ khuẩn sinh methane (methanogens)
Trong cổ khuẩn, các loài sinh methane làm thành một nhóm lớn và đa dạng
với các đặc điểm chung là (1) tạo khí methane như sản phẩm cuối cùng của
chu trình trao đổi năng lượng và (2) sống kỵ khí bắt buộc. Cổ khuẩn sinh
methane thu năng lượng cho quá trình sinh trưởng từ việc chuyển hoá một số
chất thành khí methane. Nguồn cơ chất chủ yếu của các vi sinh vật này là
hydro, format và acetat. Ngoài ra, một số hợp chất C
1
như metanol,
trimethylamin, dimethylsulfid và rượu như isopropanol, isobutanol,
cyclopentanol, etanol cũng được sử dụng làm cơ chất (Bảng 4).
Quá trình sinh methane ở cổ khuẩn có thể coi như là quá trình hô hấp

kỵ khí, trong đó chất nhận điện tử là CO
2
hoặc nhóm methyl trong các hợp
chất C
1
và acetat. Tuy nhiên, như ta thấy trong bảng 4, năng lượng được giải
phóng ra trong các phản ứng tạo methane đều rất nhỏ. Để so sánh ta có thể
lấy năng lượng giải phóng từ phản ứng oxygen hoá glucoza bằng oxygen
C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
 6 CO
2
+ 6 H
2
O (∆G
0
’ = 2870 kJ/mol). Là những sinh vật
duy nhất có khả năng tạo ra khí methane, cổ khuẩn sinh methane có những
enzyme và coenzyme thiết yếu cho quá trình tổng hợp methane và đóng vai
trò chỉ thị cho nhóm, ví dụ như coenzyme F
420
và coenzyme M. Sự hiện diện
của coenzyme F
420

khiến cho các tế bào của cổ khuẩn sinh methane có tính
tự phát sáng dưới ánh đèn huỳnh quang (bước sóng 350420 nm). Mặc dù
hiện tượng tự phát sáng này có thể mạnh, yếu, hay đôi khi mất hẳn, tuỳ
thuộc vào các pha sinh trưởng của tế bào, nhưng đó vẫn là một đặc điểm đơn
giản và tiện lợi để nhận biết cổ khuẩn sinh methane dưới kính hiển vi. Bên
cạnh đó, trình tự acid amin trong các chuỗi peptid của coenzyme M cũng
được dùng để phân loại cổ khuẩn sinh methane. Những nghiên cứu trong
lĩnh vực này cho thấy sự tương đồng giữa cây phân loại dựa trên trình tự 16S
rARN và cây phân loại dựa trên trình tự acid amin của các đơn vị  và 
trong coenzyme M.

Bảng 4. Phản ứng tạo methane trên các cơ chất khác nhau và năng
lượng được giải phóng từ đó
Phản ứng sinh methane Năng lượng được giải
phóng G
0
’ (kJ/
methane)
4H
2
+ CO
2
 CH
4
+ 2H
2
O 135,6
4 Format  CH
4
+ 3CO

2
+ 2H
2
O 130,1
4 Isopropanol + CO
2
 CH
4
+ 4 Aceton + 2H
2
O  36,5
2 Etanol + CO
2
 CH
4
+ 2 Acetat 116,3
Metanol + H
2
 CH
4
+ H
2
O 112,5
4 Metanol  3CH
4
+ CO
2
+ 2H
2
O 104,9

4 Methylamin + 2H
2
O  3CH
4
+ CO
2
+ 4NH
4
+
 75,0
2 Dimethylamin + 2H
2
O  3CH
4
+ CO
2
+ 2
NH
4
+

 73,2
4 Trimethylamin + 6H
2
O  9 CH
4
+ 3CO
2
+ 4
NH

4
+

 74,3
2 Dimethylsulfid + 2H
2
O  3CH
4
+ CO
2
+ H
2
S  73,8
Acetat  CH
4
+ CO
2
 31,0
Những nơi thông thường có thể tìm thấy cổ khuẩn sinh methane là
các bể lên men hữu cơ kỵ khí, các lớp trầm tích thiếu oxygen, đất ngập úng
và hệ đường ruột của động vật. Khi ở dạng chủng đơn cổ khuẩn sinh
methane rất nhạy cảm với oxygen, tuy vậy trong tự nhiên chúng có thể tồn
tại ở môi trường hiếu khí nhờ được bao bọc và bảo vệ bởi các vi sinh vật
hiếu khí và kỵ khí khác. Trong môi trường kỵ khí, cổ khuẩn sinh methane
phải cạnh tranh về cơ chất, đặc biệt là hydro và acetat, với các nhóm vi sinh
vật sử dụng chất nhận điện tử có hiệu điện thế khử dương tính hơn so với
CO
2
như là nitơrat, sulfat và ôxit sắt III. Như vậy cổ khuẩn sinh methane sẽ
chiễm lĩnh các môi trường nơi không có nhiều các loại chất nhận điện tử

tiềm năng này. Do không có khả năng sử dụng rộng rãi các loại cơ chất khác
nhau, trong tự nhiên cổ khuẩn sinh methane thường phải phụ thuộc vào các
loài vi khuẩn lên men vì chúng chuyển hoá đa dạng chất hữu cơ thành các
acid hữu cơ, hydro, format và acetate, trong đó hydro, format và acetate là
nguồn thức ăn trực tiếp cho cổ khuẩn sinh methane, còn các acid hữu cơ sản
phẩm của quá trình lên men như propyonat, butyrate thì cần phải được một
nhóm vi khuẩn khác chuyển hoá thành cơ chất thích hợp rồi mới đến lượt cổ
khuẩn chuyển thành khí methane. Có hai hình thức cộng sinh: bắt buộc và
không bắt buộc. Trong hình thức cộng sinh giữa cổ khuẩn sinh methane và
vi khuẩn lên men, chỉ có cổ khuẩn phụ thuộc vào mối liên hệ này do nhu cầu
về thức ăn còn các hoạt động trao đổi chất của chúng hoàn toàn không có
ảnh hưởng gì tới các vi khuẩn lên men, vì thế hình thức này được gọi là cộng
sinh không bắt buộc.
Cộng sinh bắt buộc diễn ra
giữa cổ khuẩn sinh methane
và một nhóm vi khuẩn cộng
sinh bắt buộc, trong đó cả
đôi bên cùng cần đến nhau,
ví dụ như hiện tượng cộng
sinh giữa
Methanobrevibacter và
Synthrophobacter (Hình 9).
Nhóm vi khuẩn cộng sinh
trong mối liên kết này
oxygen hoá acid hữu cơ như
propionate, các acid có mạch
carbon dài hơn, các hợp chất
thơm và chuyển điện tử sang proton hay CO
2
, tạo thành hydro hay format

tương ứng. Nhóm vi khuẩn cộng sinh này chỉ có thể thực hiện được trao đổi
chất khi nồng độ hydro và format trong môi trường xung quanh được giữ ở
mức rất thấp, và nhiệm vụ đó do cổ khuẩn sinh methane đảm nhiệm. Các
loài sinh methane thường có mặt trong mối liên kết cộng sinh bắt buộc là

Hình 9 : Cộng sinh giữa
Methanobrevibacter (tế bào trực khuẩn) và
Synthrophobacter (tế bào hình oval).
Methanoplanus endosymbiosus, các loài Methanobrevibacter, và
Methanobacterium formicicum.
Ở một số môi trường đặc biệt như các suối nước nóng hay các tầng
nham thạch núi lửa cổ khuẩn sinh methane thường có mặt với số lượng lớn.
Trong trường hợp này chúng sống tự do, không phụ thuộc vào các vi sinh
vật khác vì nguồn cơ chất chủ yếu được sử dụng ở đây là hydro, sản phẩm
có được từ con đường lý hoá chứ không qua con đường sinh học.
Hiện nay tổng số cổ khuẩn sinh methane được biết đến là 50 loài
thuộc 19 chi, sáu họ và ba lớp (Bảng 5 và 6). Sự phân loại này dựa trên trình
tự 16S rARN hiện có, tuy nhiên chúng ta có thể hình dung được rằng theo
thời gian khi những loài mới được biết thêm thì có thể bảng phân loại này sẽ
cần phải thay đổi.

Bảng 5. Các nhóm phân loại chính của cổ khuẩn sinh methane
Lớp Họ Chi
Methanobacteriales Methanobacteriaceae (T) Methanobacterium (T)
-nt- -nt- Methanobrevibacter
-nt- -nt- Methanosphaera
-nt- Methanothermaceae Methanothermus (T)
Methanococcales Methanococcaeae (T) Methanococcus (T)
Methanomicrobiales Methanosarcinaceae Halomethanococcus
-nt- -nt- Methanococcoides

-nt- -nt- Methanohalobium
-nt- -nt- Methanohalophilus
-nt- -nt- Methanolobus
-nt- -nt- Methanosarcina (T)
-nt- -nt- Methanosaeta
(Methanothrix)
-nt- Methanomicrobiacaea
(T)
Methanoculleus
-nt- -nt- Methanogenium
-nt- -nt- Methanolacinia
-nt- -nt- Methanomicrobium
(T)
-nt- -nt- Methanoplanus
-nt- -nt- Methanospirillum
-nt- Methanocorpusculaceae Methanocorpusculum
(T)
T = họ/ chi chuẩn; -nt- như trên
Về hình thái, cổ khuẩn sinh methane rất đa dạng, trong đó một số loài
có hình dạng đặc trưng dễ nhận biết dưới kính hiển vi như Methanosarcina,
Methanospirillum hay Methanosaeta (Hình 10). Ngoài ra, một trong những
đặc điểm quan trọng dùng để phân loại nhóm cổ khuẩn này là nguồn cơ chất
có thể sử dụng để sinh methane (Bảng 6).
Họ Methanobacteriaceae có thành tế bào cấu tạo từ pseudomurein, vì thế bắt
mầu Gram (+). Họ Methanobacteriaceae gồm có ba chi là
Methanobacterium, Methanobrevibacter và Methanosphaera. Các loài thuộc
chi Methanobacterium có tế bào hình que hoặc hình sợi, đôi khi tạo nhóm
gồm nhiều tế bào. Tất cả các loài thuộc chi này đều có khả năng sinh
methane từ H
2

+ CO
2
, một số loài sử dụng.