C. botulinum là vi khuẩn Gram dương, hình que, bào tử hình thành vi khuẩn. Nó là một vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có nghĩa là oxy gây độc cho các tế bào của nó. Tuy nhiên, C. botulinum chịu đựng được các vết oxy nhỏ do enzyme superoxide dismutase, là một chất bảo vệ chống oxy hóa quan trọng trong hầu hết các tế bào tiếp xúc với oxy.[5] C. botulinum chỉ có khả năng tạo ra độc tố thần kinh trong quá trình bào tử, điều này chỉ có thể xảy ra trong môi trường yếm khí. Các loài vi khuẩn khác tạo ra bào tử trong môi trường sinh trưởng không thuận lợi để duy trì khả năng tồn tại của sinh vật và cho phép tồn tại ở trạng thái không hoạt động cho đến khi bào tử tiếp xúc với điều kiện thuận lợi.

C. botulinum được chia thành bốn nhóm kiểu hình riêng biệt (I-IV) và cũng được phân loại thành bảy kiểu serotype (AG) dựa trên tính kháng nguyên của độc tố botulinum được tạo ra.[6][7]

Phân nhóm

Việc phân loại thành các nhóm dựa trên khả năng tiêu hóa protein phức tạp của sinh vật.[8][9] Các nghiên cứu ở cấp độ DNA và rRNA hỗ trợ việc phân chia loài thành các nhóm I-IV. Hầu hết các đợt bùng phát ngộ độc thịt ở người là do C. botulinum nhóm I (phân giải protein) hoặc II (không phân giải protein). Sinh vật nhóm III chủ yếu gây bệnh cho động vật. C. botulinum nhóm IV không được chứng minh là gây bệnh cho người hoặc động vật.

Độc tố botulinum

Sản xuất độc tố thần kinh là đặc điểm hợp nhất của loài này. Tám loại chất độc đã được xác định được phân bổ theo chữ cái (A – H), một số trong số đó có thể gây bệnh cho người. Chúng có khả năng chống lại sự suy thoái của các enzym được tìm thấy trong đường tiêu hóa. Điều này cho phép chất độc ăn vào được hấp thụ từ ruột vào máu.[3] Tuy nhiên, tất cả các loại độc tố botulinum đều bị phá hủy nhanh chóng khi đun nóng đến 100 °C trong 15 phút (900 giây). Độc tố botulinum, một trong những chất sinh học độc nhất được biết đến, là một chất độc thần kinh do vi khuẩn Clostridium botulinum tạo ra. C. botulinum tạo ra tám ngoại độc tố có thể phân biệt kháng nguyên (A, B, C1, C2, D, E, F và G). Botulinum toxin, còn được gọi là “chất độc thần kỳ”, là một trong những chất độc sinh học được biết đến nhiều nhất.

Hầu hết các chủng tạo ra một loại chất độc thần kinh, nhưng các chủng tạo ra nhiều chất độc đã được mô tả. C. botulinum tạo ra loại độc tố B và F đã được phân lập từ các trường hợp ngộ độc thịt ở người ở New Mexico và California.[10] Loại độc tố được ký hiệu là Bf vì loại độc tố B được tìm thấy vượt quá loại F. Tương tự, các chủng tạo ra độc tố Ab và Af đã được báo cáo.

Bằng chứng chỉ ra rằng các gen độc tố thần kinh là đối tượng của quá trình chuyển gen theo chiều ngang, có thể từ nguồn virus (thực khuẩn). Lý thuyết này được hỗ trợ bởi sự hiện diện của các vị trí tích hợp bên cạnh độc tố trong một số chủng C. botulinum. Tuy nhiên, các vị trí tích hợp này bị suy giảm (ngoại trừ loại C và D), cho thấy rằng C. botulinum đã thu nhận các gen độc tố khá xa trong quá khứ tiến hóa. Tuy nhiên, sự chuyển giao tiếp tục vẫn xảy ra thông qua plasmid và các yếu tố di động khác mà gen nằm trên đó.[11]

Các loại độc tố botulinum

Chỉ độc tố botulinum loại A, B, E, F và H mới gây bệnh cho người. Loại A, B và E có liên quan đến bệnh truyền qua thực phẩm, loại E đặc biệt liên quan đến các sản phẩm cá. Loại C tạo ra cổ chướng ở chim và loại D gây ngộ độc thịt ở các động vật có vú khác. Không có bệnh nào liên quan đến loại G.[12] "Tiêu chuẩn vàng" để xác định loại độc tố là xét nghiệm sinh học trên chuột, nhưng các gen của loại A, B, E và F hiện có thể dễ dàng được phân biệt bằng cách sử dụng PCR định lượng.[13] Vì chưa có chất chống độc tố nào đối với loại H, được phát hiện vào năm 2013 và cho đến nay là trường hợp nguy hiểm nhất, các chi tiết vẫn được lưu giữ dưới tấm vải liệm.[14]

Một số chủng từ các sinh vật được xác định về mặt di truyền là các loài Clostridium khác đã gây ra bệnh ngộ độc ở người: C. butyricum đã tạo ra độc tố loại E [15] và C. baratii đã tạo ra độc tố loại F.[16][17] Khả năng chuyển gen độc tố thần kinh của C. botulinum một cách tự nhiên sang các loài clostridia khác đang được quan tâm, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm, nơi các hệ thống bảo quản được thiết kế để chỉ tiêu diệt hoặc ức chế C. botulinum mà không phải các loài Clostridium khác.

Phân lập trong phòng thí nghiệm

Trong phòng thí nghiệm, C. botulinum thường được phân lập trong môi trường sinh trưởng tryptose sulfite cycloserine (TSC) trong môi trường kỵ khí với ít hơn 2% oxy. Điều này có thể đạt được bằng một số bộ dụng cụ thương mại sử dụng phản ứng hóa học để thay thế O 2 bằng CO 2. C. botulinum là một vi sinh vật nhạy cảm với lipase, phát triển trong khoảng pH từ 4,8 đến 7,0 và không thể sử dụng lactose làm nguồn cacbon chính, đặc điểm quan trọng để nhận dạng sinh hóa.[18]