Kháng sinh tự ‘biến hình’ – Vũ khí mới chống kháng thuốc

Các nhà khoa học mới đây đã tạo ra một thứ “vũ khí” mới chống lại những siêu vi khuẩn kháng thuốc – một loại kháng sinh có thể thay đổi hình dạng bằng cách tự biến đổi trình tự nguyên tử của nó.

Hình ảnh đồ hoạ một siêu vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh. Ảnh: Live Science

Theo một nghiên cứu xuất bản trên tạp chí khoa học Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ ngày 3/4, các nhà khoa học cho biết họ đã thử nghiệm kháng sinh tự biến đổi hình dạng ở ấu trùng bướm đêm Galleria mellonella. Đây là mô hình động vật phổ biến được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của thuốc kháng sinh trong nghiên cứu.

Để tạo ra loại thuốc kháng sinh mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp “hóa học click”. Hóa học click là loại phản ứng mà các phân tử nhỏ liên kết với nhau tạo thành phân tử lớn, các phân tử sẽ chỉ phản ứng với nhau và không thể đảo ngược. Phương pháp này được áp dụng trong các công nghệ giải trình tự DNA và khoa học vật liệu, có năng suất cao và sạch, không tạo ra nhiều sản phẩm phụ không mong muốn.

Dưới sự hướng dẫn của K. Barry Sharpless, một trong những “cha đẻ” của phương pháp hóa học click từng giành giải thưởng danh giá Nobel Hóa học, tác giả chính của nghiên cứu – Giáo sư John Moses làm việc tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (CSHL) ở New York (Mỹ) đã áp dụng thành công trong việc tạo ra một loại kháng sinh có thể biến đổi cách sắp xếp các nguyên tử và thay đổi hình dạng.

Giáo sư Moses nảy ra ý tưởng về thuốc kháng sinh biến đổi hình dạng khi quan sát cách thức xe tăng hoạt động trong các bài huấn luyện quân sự. Với tháp pháo xoay và chuyển động nhanh nhẹn, xe tăng có thể phản ứng nhanh chóng trước các mối đe dọa có thể xảy ra.

Về cơ bản, loại kháng sinh mới là sự kết hợp một loại kháng sinh hiện có tên là vancomycin với phân tử bullvalene. Theo kết luận của CSHL, phân tử bullvalene với vai trò như “lõi” của kháng sinh có thể dễ dàng hoán đổi vị trí của nguyên tử và sắp xếp chúng thành hơn một triệu cấu hình khác nhau. Trong khi đó, hai đầu của kháng sinh vancomycin sẽ gắn vào “lõi” bullvalene.

Tiến sĩ Josh Homer, đồng tác giả của nghiên cứu mới, miêu tả “lõi” bullvalene hoạt động giống như một khối rubik có thể thay đổi hình dạng. “Khi gắn hai đơn vị vancomycin vào khối rubik ở giữa, những đơn vị vancomycin này có thể tự do di chuyển xung quanh bảo vệ không gian bên ngoài”, chuyên gia Josh lý giải.

Vancomycin là một loại kháng sinh mạnh được sử dụng để điều trị các bệnh nhiễm trùng nghiêm trọng do vi khuẩn gram dương. Để tiêu diệt những vi khuẩn này, kháng sinh sẽ liên kết với thành tế bào vi khuẩn và làm suy yếu nó, khiến các chất bên trong tế bào vi khuẩn rò rỉ ra ngoài và vi khuẩn sẽ bị tiêu diệt.

Thật không may, nhiều loại vi khuẩn đã phát triển đề kháng với vancomycin, bao gồm cầu khuẩn ruột kháng vancomycin (VRE). Theo số liệu của Trung tâm Kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh Mỹ (CDC), trong năm 2017, khoảng 54.500 ca nhiễm trùng nhập viện và ước tính 5.400 ca tử vong do cầu khuẩn VRE.

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) coi kháng kháng sinh nằm trong top 10 mối đe dọa sức khỏe cộng đồng.

Trong nghiên cứu mới, khi ấu trùng bướm đêm không được điều trị, tỷ lệ tử vong trong vòng 1 tuần sau khi bị nhiễm VRE là 90%. Tiếp đến, khi chúng được tiêm một liều vancomycin tiêu chuẩn, tỷ lệ sống sót sau một tuần của bướm đêm đã tăng từ 10% lên 40%. Cuối cùng, khi chúng được điều trị bằng loại kháng sinh tự biến đổi hình dạng mới, tỷ lệ sống sót đã tăng lên 70%.

Các nhà nghiên cứu cho biết so với vancomycin thông thường, loại kháng sinh tự biến đổi hình dạng có thể tạo ra nhiều công cụ để tiêu diệt vi khuẩn.

Giáo sư Moses giải thích: “Chúng tôi phát hiện ra kháng sinh tự biến đổi hình dạng có phương thức hoạt động liên quan đến phản ứng với một loại enzyme chủ chốt trong tế bào có tên là MurJ. Enzyme này vận chuyển năng lượng từ bên trong tế bào đến thành tế bào, giúp vi khuẩn nhân lên, gây ra nhiễm khuẩn nặng hơn”.

Đáng chú ý, theo phân tích của nhóm nghiên cứu, loại kháng sinh biến đổi hình dạng không giúp vi khuẩn VRE trở nên kháng thuốc. Thông thường, việc tiếp xúc nhiều với kháng sinh sẽ giúp vi khuẩn chọn lọc cách kháng thuốc mới, từ đó tăng cường khả năng sống sót.

Với phương thức tự biến đổi hình dạng, thuốc kháng sinh mới có thể tìm ra cấu hình tối ưu để liên kết với thành tế bào vi khuẩn, tạo thành một “vòng vây” để chúng không thể thoát ra ngoài.

Theo Giáo sư Moses, mặc dù nghiên cứu mới triển khai ở giai đoạn đầu, chưa thử nghiệm trên người cũng như mức độ hiệu quả vẫn còn phải nghiên cứu, song chắc chắn một điều do vi khuẩn chưa từng gặp các loại kháng sinh biến đổi hình dạng trước đây, nên các loại thuốc này sẽ gây ra một số mức độ hỗn loạn trong cơ chế hoạt động của vi khuẩn.

Chỉ tính riêng ở Mỹ, vi khuẩn và nấm kháng thuốc đã lây nhiễm cho gần 3 triệu người mỗi năm và giết chết khoảng 35.000 người. Thuốc kháng sinh rất cần thiết và hiệu quả, nhưng trong những năm gần đây, việc lạm dụng quá mức đã dẫn đến việc một số vi khuẩn phát triển khả năng kháng thuốc. Các bệnh nhiễm khuẩn trở nên rất khó điều trị.

Vấn đề này thậm chí còn nghiêm trọng hơn ở các nước đang phát triển, những nơi tỷ lệ mắc bệnh truyền nhiễm cao và khả năng tiếp cận kháng sinh thường bị hạn chế. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã coi kháng thuốc kháng sinh nằm trong top 10 mối đe dọa sức khỏe cộng đồng toàn cầu hàng đầu.

Giáo sư Moses kết luận với phản ứng hóa học click, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra vô số loại thuốc mới. Những “vũ khí” chống khuẩn này sẽ là chìa khóa cho sự tồn tại và tiến hóa của loài người.