[LT] Phân loại vi khuẩn

[tuyenlab]

Phân loại vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng đều với mục đích là nhóm các sinh vật có đặc điểm giống nhau vào một nhóm và thông thường nhất là với đơn vị loài (species). Mục đích chính của việc phân loại sinh học là giúp cho con người có cái nhìn đơn giản hơn về sinh giới và mỗi khi nhắc đến tên một đơn vị nào đó trong phân loại sinh học thì chúng ta có thể biết ngay về những đặc điểm và tính chất của các đơn vị này mà không phải liệt kê ra.

1. Những khái niệm chung

1.1. Phân loại sinh học (Taxonomy)

Phân loại sinh học là ngành khoa học về phân loại, xác định và danh pháp trong ngành sinh học. Đối với Eukaryote, định nghĩa về các loài thường được dựa trên cơ sở chức năng và hình thức sinh sản, đó là những cá thể cùng loài phải có sự tương đồng về khả năng phát sinh giao tử, những giao tử đực và giao tử cái phải thụ tinh được với nhau để tạo thành hợp tử đa dạng trong sinh giới. Tuy nhiên, vi khuẩn thì phân loại học không phụ thuộc theo hướng sinh sản như Eukaryote mà dựa vào các tiêu chuẩn đặc trưng riêng để phân loại.

1.2. Phân loại vi khuẩn (Classification)

Phân loại vi khuẩn là sắp xếp những chủng vi khuẩn vào một số nhóm nhất định. Không có những tiêu chuẩn cố định về phân loại vi khuẩn mà cách phân loại có thể thay đổi theo từng giai đoạn và trình độ khoa học khác nhau.

1.3. Xác định, định loại vi khuẩn (Identification)

Định loại vi khuẩn là sử dụng các tiêu chuẩn phân loại để xác định vi khuẩn và phân biệt chúng với những loài khác. Bao gồm:
- Phân lập vi khuẩn, xác định đây là căn nguyên gây bệnh.
- Xác định chủng vi khuẩn phân lập được bởi một phản ứng đặc hiệu hoặc nhiều xét nghiệm quan trọng khác.

1.4. Danh pháp vi khuẩn (Nomenclature)

Danh pháp (tên vi khuẩn) được định nghĩa bởi những đặc điểm của loài và đôi khi có liên quan đến người đầu tiên phân lập (ví dụ: vi khuẩn dịch hạch - Yersinia petis). Tên của một loài vi khuẩn nên có sự thống nhất chung đối với các nhà vi sinh, tuy nhiên trong một số trường hợp thì có thể một số vi khuẩn có tên khác nhau ở các quốc gia. Ví dụ: ở Mỹ vi khuẩn hoại thư được gọi là Clostridium perfringens, nhưng ở Anh thì gọi là Clostridium welchii.

1.5. Loài vi khuẩn (Species)

Loài vi khuẩn là bao gồm các vi khuẩn có đặc điểm đặc trưng giống nhau hoặc nhóm vi khuẩn có các đặc điểm quan trọng giống nhau. Trước đây, có rất ít quan điểm đồng tình về những tiêu chuẩn cũng như số lượng những tiêu chuẩn

cần thiết dùng cho phân loại vi khuẩn. Các loài vi khuẩn thường được định nghĩa duy nhất bởi những tiêu chuẩn như: loại vật chủ kí sinh, khả năng gây bệnh, hoặc khả năng sinh hơi trong quá trình lên men một số đường nào đó. Hiện nay, phương pháp xác định loài vi khuẩn thường không nhất thiết cần sự nhất trí của cả cộng đồng, mà các tiêu chuẩn sử dụng trong phân loại chỉ cần phải phản ánh được những đặc điểm quan trọng mà các nhà nghiên cứu đưa ra khi họ đánh giá một loài vi khuẩn cụ thể.

2. Những phương pháp phân loại

2.1. Phân loại theo số học (Numerical)

Phương pháp phân loại số học (hay còn gọi là phân loại theo máy tính hoặc theo biểu hiện kiểu hình) thì 50 - 200 những đặc điểm sinh hóa, hình thái, và nuôi cấy cũng như mức độ nhạy cảm với kháng sinh hay những chất vô cơ được sử dụng để xác định mức độ tương đồng (degree of similarity) giữa các vi khuẩn. Trong nghiên cứu phân loại số học, những nhà nghiên cứu thường tính hệ số tương đồng (coeffecient of similarity) hay tỷ lệ tương đồng (percentage of similarity) giữa các chủng vi khuẩn phân lập được từ bệnh phẩm. Một lược đồ hoặc khung về sự tương đồng của các vi khuẩn được vẽ ra để phân loại những chủng vi khuẩn cụ thể vào các nhóm khác nhau, sau đó những nhóm vi khuẩn này lại được xếp chung vào một số nhóm ở bậc cao hơn trong hệ thống phân loại dựa trên cơ sở tỷ lệ tương đồng. Thông thường các chủng vi khuẩn được xếp chung vào một loài có mức độ tương đồng 90%, những chủng được xếp chung vào một giống có mức độ tương đồng ở 70% và các giống vi khuẩn khác nhau thì mức độ tương đồng ở 50% hoặc thấp hơn. Ví dụ: ở sơ đồ dưới đây, nhóm I có 3 chủng Citrobacter freundii có mức độ tương đồng ở 95% cùng với chủng thứ tư Citrobacter freundii có mức độ tương đồng ở 90% cũng được xếp chung vào. Giữa nhóm I và nhóm II chỉ giống nhau ở mức độ 70% nên được xếp chung vào một giống, nhưng nhóm I, II và nhóm III chỉ tương đồng ở mức độ 50% nên chúng thuộc hai giống khác nhau.

Sơ đồ: Biểu diễn ví dụ cách phân loại vi khuẩn theo phương pháp số học.

2.2. Phân loại theo phương pháp phân tử

Phương pháp này dựa trên sự so sánh các thông tin di truyền chứa đựng trong các ADN của các nhóm vi khuẩn khác nhau. Vì vậy, người ta sử dụng cách đo lường mức độ tương đồng của các đoạn ADN của nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau để xác định mối tương quan về ADN giữa chúng, từ đó đưa ra phân loại vi khuẩn. Có 5 yếu tố sử dụng trong xác định mối liên quan về ADN giữa các vi khuẩn: Kích thước ADN; tỷ lệ G + X trong phân tử ADN, tỷ lệ liên kết bổ sung được hình thành (mức độ tương đồng) giữa các sợi đơn ADN của những vi khuẩn khác nhau dưới điều kiện nhiệt độ tối ưu cho sự tạo thành liên kết; sự ổn định với nhiệt độ của những đoạn ADN được hình thành do liên kết bổ sung của hai sợi đơn ADN từ các vi khuẩn khác nhau và tỷ lệ liên kết bổ sung được hình thành (mức độ tương đồng) giữa các sợi đơn ADN của những vi khuẩn khác nhau dưới nhiệt độ cao hơn điều kiện tối ưu cho sự tạo thành liên kết.
- Kích thước của ADN:
Kích thước thực của ADN vi khuẩn (được đo bằng trọng lượng) có khối lượng từ 1 × 109 đến 8 × 109. Xác định kích thước ADN vi khuẩn thường dùng trong phân loại vi khuẩn, ví dụ trong phân biệt Legionella pneumophila với Bartonalla (Ricketsis) quintana.

- Tỷ lệ G + X:
Tỷ lệ G+X trong phân tử ADN của vi khuẩn thường chứa khoảng 25 - 75%. Tỷ lệ này có tính đặc hiệu, nhưng không phải là duy nhất đối với một loài. Nếu những chủng có tỷ lệ G+X rất khác nhau thì không thể xếp chúng chung vào một loài.
- Tỷ lệ liên kết bổ sung được hình thành (mức độ tương đồng) giữa các sợi đơn ADN của những vi khuẩn khác nhau dưới điều kiện nhiệt độ tối ưu cho sự tạo thành liên kết:
Mức độ tương đồng về ADN của vi khuẩn được xác định bằng cách cho một sợi đơn ADN của một chủng vi khuẩn này hình thành liên kết bổ sung với một sợi đơn của một chủng vi khuẩn khác để tạo thành ADN sợi kép (hình dưới). Đây là một phản ứng phụ thuộc nhiệt độ đặc hiệu. Nhiệt độ tối ưu cho sự tái liên kết bổ sung thấp hơn nhiệt độ mà tại đó một sợi ADN kép bị biến tính thành 2 sợi đơn là 25 – 30oC. Các nghiên cứu kết luận rằng một loài được hợp thành từ những chủng vi khuẩn có mức độ tương đồng về ADN từ 70 - 100%. Mặt khác, mức độ tương đồng về ADN giữa các loài khác nhau chỉ ở mức 0 - 65%.
- Sự ổn định với nhiệt độ của những đoạn ADN được hình thành do liên kết bổ sung của hai sợi đơn ADN từ các vi khuẩn khác nhau:
Mỗi 1% những cặp base không tương đồng trên mỗi đoan ADN kép là giảm đi 1% về mức độ ổn định của sợi ADN kép với thay đổi nhiệt độ. Vì vậy, so sánh giữa mức độ ổn định với nhiệt độ của sợi ADN mẫu (cả hai sợi ADN này đều xuất phát từ một ADN kép của một vi khuẩn) và sợi ADN kép thu được sau khi lai giữa hai sợi đơn của 2 vi khuẩn khác nhau, sẽ cho phép đánh giá mức độ khác nhau về gen giữa các đoạn ADN.

Hình 2: Hình ảnh đánh giá mức độ tương đồng của các sợi đơn từ các vi khuẩn khác nhau.

- Tỷ lệ liên kết bổ sung được hình thành (mức độ tương đồng) giữa các sợi đơn ADN của những vi khuẩn khác nhau dưới nhiệt độ cao hơn điều kiện tối ưu cho sự tạo thành liên kết:
Khi nhiệt độ ủ cho sự hình thành liên kết bổ sung của ADN được tăng lên từ
0 0
dưới nhiệt độ biến tính ADN 25 - 30 C đến dưới nhiệt độ tối ưu chỉ là 10 - 15 C,
chỉ khi các đoạn ADN có % liên kết bổ sung với nhau lớn thì mới có thể hình thành các liên kết với nhau. Các chủng vi khuẩn trong một loài phải có mức độ tương đồng từ 60% trở lên ở điều kiện nhiệt độ này.
- Xác định loài trên cơ sở của mức độ liên quan về ADN:
Sử dụng 5 tiêu chuẩn trên sẽ cho phép xác định loài dựa trên ADN, nhw sau:
+ Có kích thước ADN như nhau.
+ Có tỷ lệ G+X trong phân tử như nhau.
+ Mức độ tương đồng về ADN giữa các chủng vi khuẩn trong một loài ở điều kiện nhiệt độ tối ưu cho quá trình hình thành liên kết bổ sung cho quá trình lai phân tử là 70% trở lên và khác nhau là 5% hoặc thấp hơn.
+ Mức độ tương đồng về ADN giữa các chủng vi khuẩn trong một loài ở điều
0
kiện nhiệt độ cao hơn điều kiện tối ưu (khoảng 10 - 20 ) là 60% hoặc hơn. Ví dụ:
E. coli: là loài bao gồm những chủng vi khuẩn với tỷ lệ G+X khoảng 49 - 52%,

trọng lượng phân tử là 2.3 × 109 tới 3.0 × 109, có mức độ tương đồng về ADN là
70% ở điều kiện nhiệt độ tối ưu, có 0 - 4% khác nhau về ADN, mức độ tương đồng về ADN ở nhiệt độ cao hơn điều kiện tối ưu cho hình thành liên kết bổ xung là 60%.
2.3. Phân loại theo nhiều bước khác nhau

Phương pháp phân loại vi khuẩn theo nhiều bước khác nhau

Trong thực hành, phân loại vi khuẩn nên được thực hiện theo nhiều bước. Bước thứ nhất là xếp loại các chủng vi khuẩn theo kiểu hình (phenotype) như: đặc điểm hình thái học, sinh hóa và các đặc điểm quan trọng khác. Bước thứ hai, sau khi xếp loại về kiểu hình thì sẽ xếp loại vi khuẩn theo tiêu chuẩn về ADN bằng cách so sánh mức độ tương đồng về cấu trúc ADN giữa các chủng vi khuẩn được phân lập. Bước thứ ba, bước quan trọng nhất, đó là xác định lại các đặc điểm hoá sinh của các nhóm vi khuẩn có tương đồng về ADN. Điều này cho phép xác định gianh giới sinh hoá của mỗi nhóm và xác định các phản ứng có giá trị chẩn đoán cho việc định loại vi khuẩn.

3. Các mức độ phân loại trên và dưới loài

3.1. Phân loại dưới loài:

- Định nghĩa: Phân loại dưới loài, đó là những chủng vi khuẩn cùng loài được sắp xếp vào các nhóm hoặc týp khác nhau dựa trên cơ sở các phản ứng huyết thanh hoặc sinh hoá, ly giải bởi phage, nhậy cảm với kháng sinh, đặc điểm gây bệnh hay dựa trên các đặc điểm khác.
- Cách phân loại dưới loài:
+ Về dịch tễ học: Các nhà vi sinh lâm sàng thường phân loại các chủng vi khuẩn trong cùng một loài vào một số nhóm khác nhau dựa trên các đặc điểm cụ thể. Ví dụ: týp huyết thanh O157-H7 của E. coli được xác định từ phân bởi vì nó có liên quan đến khả năng gây tiêu chảy - phân có máu và theo sau là hội chứng ure huyết do tan máu.
+ Một số phương pháp phân loại dưới loài được chấp nhận và sử dụng rộng rãi hiện nay, như: định týp huyết thanh, định týp sinh học, định týp bằng phage đặc hiệu, định týp sinh học-huyết thanh (týp này bao gồm những vi khuẩn cùng loài và có các đặc điểm chung về sinh học và huyết thanh học), và phân loại theo đặc điểm gây bệnh (ví dụ: loại Clostridium difficile gây bệnh bằng độc tố, loại E. coli gây bệnh bằng cách xâm nhập).

3.2. Phân loại trên loài

Ngoài phân loại dưới loài thì các nhà vi sinh lâm sàng thường sắp xếp các loài vi khuẩn vào các giống (genera) hoặc họ (family) tuỳ theo mức độ giống nhau.
Một giống hoặc họ lý tưởng là được xác định dựa trên cả hai đặc điểm về kiểu hình (phenotype) và kiểu gen (genotype). Tuy nhiên, khi không thể đồng thời sử dụng được cả hai phương pháp này để phân loại thì người ta có thể dùng một trong hai đặc điểm này để phân loại. Ví dụ:
- Phân loại các giống theo đặc điểm ADN: Citrobacter, Yersinia và Serratia.
- Phân loại dựa theo đặc điểm kiểu hình (phenotype): Bacillus, Clostridium và Legionella.

4. Đơn vị phân loại

Đơn vị phân loại vi khuẩn cũng nằm trong hệ thống phân loại sinh vật, bao gồm:

1) Giới (kingdom): Ví dụ giới động vật, giới thực vật. Tên gọi của giới dựa trên đặc điểm chính của giới bằng tên Latinh.

2) Ngành (division): Dưới ngành (subdivision)

3) Lớp (class): Dưới lớp (subclass)

4) Bộ (order): Tên gọi lấy họ chính và tận cùng bằng chữ -ales. Ví dụ: Pseudomanadales. Bộ phụ (suborder) hay dưới bộ, tận cùng bằng chữ -ineae. Ví dụ: Rhobaterineae.

5) Họ (family): Tận cùng bằng -aceae. Ví dụ: Enterobacteriaceae. Dưới họ (subfamily): Tận cùng bằng -oideae.

6) Tộc (tribe): Tận cùng bằng chữ -eae. Ví dụ: Escherichieae. Dưới tộc
(subtribe) tận cùng bằng -inae.

7) Giống (genus hoặc genera): Ví dụ Samonella, Proteus, Streptoccocus.

8) Loài (species): Đây là đơn vị cơ bản nhất, tên khoa học của loài thường
đặt kép, tên giống trước và tên loài sau. Ví dụ: Pseudomonas aeruginosa.

9) Thứ (variety): Chỉ một nhóm nhất định trong loài. Ví dụ: Mycobacterium tuberculosis var. hominis - vi khuẩn lao người.

10) Dạng (Type), thường được gọi Việt hoá là týp để chỉ những nhóm nhỏ
dưới thứ. Ví dụ: Streptoccocus pneumoniae týp 14.

11) Chủng (strain): Chỉ một chủng vi khuẩn của một loài mới được phân lập. Nó mang theo ký hiệu của
giống loài và mã chủng. Ví dụ: Staphylococcus aureus ATCC 1259.
Nói chung, trong vi sinh y học chủ yếu người ta dùng các đơn vị phân loại:
họ, tộc, loài, typ và chủng.

Tác giả: TS.BS. Trần Quang Cảnh - Khoa Xét nghiệm - HMTU