Những nghiên cứu khoa học gần đây, được công bố trên tạp chí Cell Host & Microbe vào năm 2025, đã hé lộ cách thức vi khuẩn xây dựng hệ thống phòng thủ của mình. Cơ chế này có sự tương đồng đáng kinh ngạc với nguyên tắc tiêm chủng. Hệ thống miễn dịch bẩm sinh này cho phép vi khuẩn nhận diện và vô hiệu hóa các cuộc tấn công của virus khi chúng tiếp xúc trở lại.
Sau khi đối mặt với virus, vi khuẩn sử dụng một loại enzyme chuyên biệt để chèn các đoạn DNA virus cực nhỏ, được gọi là "spacer" (đoạn đệm), vào cấu trúc di truyền của chính nó. Quá trình này tạo ra một kho lưu trữ thông tin để nhận dạng và phòng thủ trong tương lai. Về cơ bản, đây là cách ghi lại kinh nghiệm trong quá khứ nhằm đảm bảo sự sống còn trong tương lai.
Điều thú vị là các nhà khoa học đã ứng dụng hiện tượng tự nhiên này từ lâu, đặt nền móng cho công nghệ CRISPR. Tuy nhiên, mãi đến gần đây, chức năng tự nhiên cốt lõi của nó trong tế bào mới được làm rõ: khả năng thực hiện những thay đổi nhanh chóng trong bộ gen của chính vi khuẩn.
Công nghệ CRISPR khai thác enzyme này như một "kéo cắt gen" để thao tác với DNA, phục vụ nhiều mục đích khác nhau, từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho đến các liệu pháp gen tiên tiến. Mặc dù vậy, cơ chế chính xác của quá trình này bên trong vi khuẩn vẫn còn là một bí ẩn cho đến khi các nghiên cứu gần đây được công bố.
Việc thấu hiểu sự tương tác phức tạp giữa thực khuẩn thể (bacteriophage) — các loại virus tấn công vi khuẩn — và vật chủ của chúng là yếu tố then chốt để phát triển các liệu pháp thực khuẩn thể. Liệu pháp thực khuẩn thể là phương pháp sử dụng virus để chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng kháng sinh. Nhà sinh học phân tử Rodolphe Barrangou đã nhấn mạnh rằng những kiến thức này có thể hỗ trợ việc phát triển các thực khuẩn thể hiệu quả hơn, chống lại phạm vi rộng hơn các vi khuẩn gây bệnh.
Vi khuẩn sở hữu một kho vũ khí phòng thủ đồ sộ, với hơn 150 cơ chế khác nhau để chống lại thực khuẩn thể. Các tác nhân điều trị cần phải tìm cách vượt qua những rào cản này. Sự hiểu biết mới mẻ này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy tầm nhìn rộng hơn trong việc áp dụng các phương pháp điều trị bằng thực khuẩn thể cho nhiều loại bệnh truyền nhiễm khác nhau. Kết quả nghiên cứu chỉ ra những con đường mới để tạo ra các loại thuốc dựa trên thực khuẩn thể, khai thác chính các nguồn lực bảo vệ nội tại của vi khuẩn. Việc nắm bắt cách vi khuẩn lưu trữ các đoạn DNA virus có thể cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế các thực khuẩn thể có khả năng tiêu diệt có chọn lọc các vi khuẩn gây bệnh, đây là một chiến lược đầy hứa hẹn trong cuộc chiến chống lại tình trạng kháng kháng sinh ngày càng gia tăng.
Tuy nhiên, trong cuộc đua tiến hóa không ngừng này, virus cũng đã phát triển các biện pháp đối phó. Người ta đã phát hiện ra rằng một số thực khuẩn thể, ví dụ như ICP1, có khả năng "đánh cắp" toàn bộ bộ gen của hệ thống CRISPR/Cas. Hành động này gây ra sự hỗn loạn hoàn toàn trong hệ thống phòng thủ của vi khuẩn, khiến chúng mất khả năng chống lại nhiễm trùng một cách hiệu quả. Hơn nữa, bản thân hệ thống CRISPR-Cas, vốn là nền tảng của miễn dịch thích ứng ở sinh vật nhân sơ, cũng tham gia vào các quá trình không liên quan trực tiếp đến phòng thủ, chẳng hạn như điều chỉnh biểu hiện gen và sửa chữa DNA. Nhận thức về kiến trúc nội tại của hệ miễn dịch vi sinh vật này mở ra cơ hội để hình thành các giải pháp sức khỏe bền vững và hài hòa hơn cho cộng đồng.