Di truyền về tính kháng thuốc của vi khuẩn

Di truyền là sự duy trì các đặc điểm qua nhiều thế hệ. Cơ sở vật chất của di truyền là nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể của vi khuẩn ví dụ như của E.coli gồm 5x106 đôi nucleotide chia thành nhiều đoạn gọi là gen, mỗi gen quyết định sự tổng hợp một protein đặc hiệu. Những protein đặc hiệu như enzyme và những cấu tạo khác của tế bào xác định tất cả các tính trạng của một cá thể.

Nhiễm sắc thể chịu sự nhân đôi trước khi phân bào. Do đó mỗi tế bào con nhận một bộ gen tương đương với tế bào mẹ. Sự nhân đôi của nhiễm sắc thể là một quá trình chính xác, tuy nhiên mỗi gen có một xác xuất nhỏ về sai sót trong sao chép, do đó làm phát sinh đột biến. Đột biến xảy ra ngẫu nhiên không cần sự can thiệp của môi trường bên ngoài với một tần suất rất nhỏ từ 10-5 đến 10-9.

Các vi khuẩn kháng thuốc được tìm thấy khắp nơi kể cả những nơi chưa bao giờ sử dụng kháng sinh. Ngay khi phát minh penicilin năm 1940, vi khuẩn kháng penicilin đã được báo cáo. Ngày nay vấn đề kháng thuốc trở thành mối bận tâm hàng đầu trong điều trị các bệnh nhiễm trùng và kháng sinh đồ là một thử nghiệm hàng ngày ở các phòng xét nghiệm vi trùng.

Sự hình thành tính kháng thuốc ở vi sinh vật là do sự biến đổi gen ở nhiễm sắc thể hoặc do tiếp nhận plasmid kháng thuốc.

Vi khuẩn trở nên kháng thuốc qua 4 cơ chế: đột biến, tái tổ hợp hoặc thu hoạch plasmid kháng thuốc hoặc thu hoạch transposon .

Đột biến thành kháng thuốc

Nhiều thí nghiệm đã chứng minh tính kháng thuốc phát sinh do đột biến, như thế tính kháng thuốc liên hệ đến sự biến đổi gen ở nhiễm sắc thể và có thể di truyền cho các thế hệ sau. Sự đột biến xảy ra với tần suất 10-5 - 10 -9 .

Trong tính kháng thuốc, kháng sinh giữ vai trò chọn lọc chứ không phải vai trò chỉ đạo. Việc sử dụng rộng rãi kháng sinh làm phát triển nhanh chóng các vi khuẩn kháng thuốc bằng cách giết chết các vi khuẩn nhạy cảm, tạo điều kiện cho vi khuẩn kháng thuốc phát sinh do đột biến chiếm ưu thế.

Sự tái tổ hợp

Lúc một đột biến kháng thuốc xuất hiện ở một quần thể vi khuẩn thì vi khuẩn kháng thuốc có thể vận chuyển gen kháng thuốc đến các vi khuẩn nhạy cảm theo một trong 3 cơ chế vận chuyển di truyền: biến nạp, tải nạp và tiếp hợp tùy theo loài vi khuẩn. Sự tái tổ hợp giữa 2 vi khuẩn, mỗi vi khuẩn kháng một kháng sinh làm xuất hiện những vi khuẩn kháng với cả 2 loại kháng sinh.  Trong thiên nhiên, sự vận chuyển gen kháng thuốc trong tải nạp và tiếp hợp xảy ra với một tần suất thấp khoảng  10-5.  Trong biến nạp tần suất chưa được biết, nhưng có thể còn thấp hơn nữa.

Thu hoạch plasmid kháng thuốc

Hai cơ chế kháng thuốc trên liên quan đến gen kháng thuốc nằm ở trên nhiễm sắc thể. Ở đây tính kháng thuốc liên hệ đến plasmid nằm ngoài nhiễm sắc thể. Plasmid kháng thuốc được vận chuyển theo những cơ chế khác nhau tùy theo vi khuẩn  Gram dương hoặc vi khuẩn Gram âm.

Plasmid kháng thuốc ở vi khuẩn Gram âm

Năm 1946 lần đầu tiên ở Nhật Bản người ta phân lập nhiều chủng Shigella kháng với nhiều kháng sinh : streptomycin, chloramphenicol, tetracyclin, sulfonamit. Nhân tố chịu trách nhiệm về tính kháng nhiều thuốc là một plasmid kháng thuốc goi là nhân tố R. Nhân tố R điển hình là một plasmid lớn với 2 phần, chức năng riêng biệt. Phần thứ nhất RTF gọi là nhân tố vận chuyển đề kháng (Resistance transfer factor), khoảng 80 kb chứa những gen của sự tự sao chép và của sự tiếp hợp. Phần kia nhỏ hơn là quyết định đề kháng (R determinant), kích thước rất thay đổi và chứa gen kháng thuốc (R genes) RTF và quyết định đề kháng thông thường tạo nên một đơn vị. Nhân tố R thường tái tổ hợp với nhau làm phát sinh những tổ hợp mới về kháng thuốc.

Nhân tố R không những có thể lây truyền rộng rãi trong nhiều loài vi khuẩn đường ruột mà còn có thể lây truyền cho nhiều vi khuẩn khác như vi khuẩn tả, vi khuẩn dịch hạch...

Nhân tố R lây truyền trong vi khuẩn qua tiếp xúc nên tính kháng thuốc lan tràn trong một quần thể vi khuẩn nhạy cảm như một bệnh truyền nhiễm .

Plasmid kháng thuốc ở vi khuẩn Gram dương

Sự đề kháng của nhiều chủng tụ cầu vàng với penicillin, erythromycin và nhiều kháng sinh cũng do plasmid gây nên. Plasmid ở vi khuẩn Gram dương không thể vận chuyển bằng tiếp hợp mà bằng tải nạp qua trung gian của phage. Hiện nay phần lớn những chủng tụ cầu kháng penicillin ở bệnh viện đều mang plasmid penicillinase.

Thu hoạch transposon

Transposon còn gọi là gen nhảy là những đoạn ADN, kích thước nhỏ chứa một hay nhiều gen có 2 đầu tận cùng là những chuổi nucleotic giống nhau nhưng ngược chiều nhau (inverted repeat). có thể nhảy từ plasmid vào nhiễm sắc thể hoặc từ nhiễm sắc thể vào plasmid hoặc từ plasmid đến plasmid. Tất cả  mọi gen trong đó có gen kháng thuốc có thể nằm trên transposon. Những transposon chỉ đạo sự kháng kim loại nặng, sự tạo thành độc tố và khả năng sử dụng một số chất chuyển hóa (lactose, raffinose, histidin, hợp chất lưu huỳnh) đã được mô tả. Đặc biệt quan trọng trong vi sinh học là những transposon kháng kháng sinh như Tn3 mang gen kháng ampicillin, Tn5 mang gen kháng kanamycin, Tn10 mang gen kháng tetracyclin, Tn4 mang gen kháng ba kháng sinh ampicillin, streptomycin và sulfamit.