Quá trình biến nạp, tải nạp và tiếp hợp ở vi khuẩn

CÂU HỎI: Trình bày tóm tắt các quá trình biến nạp, tải nạp và tiếp hợp ở vi khuẩn? BÀI LÀM: Hình thức sinh sản chủ yếu của vi khuẩn là phân đôi tế bào, qua quá trình phân đôi vật chất di truyền của vi khuẩn mẹ sẽ được truyền cho các vi khuẩn con. Tuy nhiên cũng có trường hợp vật chất di truyền của vi khuẩn này (vi khuẩn cho) chuyển sang vi khuẩn nhận thuộc chủng khác, có ba cách chuyển thông tin di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận là: biến nạp, tải nạp và tiếp hợp. * Biến nạp (transformation): Biến nạp: Biến nạp chỉ những biến đổi tính trạng của vi khuẩn dưới ảnh hưởng của ADN dung dịch được tách chiết từ vi khuẩn cho xâm nhập vào vi khuẩn nhận. Hiện tượng biến nạp được nhà vi khuẩn học Griffith phát hiện vào năm 1928 và được làm sáng tỏ nhờ những thực nghiệm của Avery, Mac Leod và Mac Carthy. Thí nghiệm: Griffith đã tiêm cho chuột một liều vi khuẩn Diplococcus pneumoniae dạng S ( có màng nhày, gây bệnh viêm phôi nặng) làm cho chuột chết. Nếu xử lý bằng nhiệt thì vi khuẩn này không có khả năng gây bệnh cho chuột. Tiêm vi khuẩn dạng R ( không có màng nhày) không gây độc đối với chuột. Nhưng khi ông tiêm cho chuột một hỗn hợp các vi khuẩn dạng R ( không có màng nhày) với vi khuẩn dạng S (có màng nhày), nhưng đã xử lí bằng nhiệt, thì thấy chuột vẫn bị chết. Từ máu chết ông đã phân lập được Diplococcus pneumoniae dạng S điển hình. Điều đó có nghĩa các vi khuẩn dạng S bị chết vì nhiệt đã truyền khả năng tạo vỏ nhày cho các tế bào dạng R làm cho nó trở thành tế bào dạng S và tính chất này được truyền cho các thế hệ con cháu của tế bào dạng S mới (Hình 1). Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm của Griffith Tuy nhiên Griffith đã sai lầm cho rằng hiện tượng biến nạp là do tác động của cơ chất polyholosilic màng nhày, đến năm 1944 Avery và các cộng sự, đã chứng minh tác nhân của quá trình biến nạp chính là axit nucleic (ADN) của vi khuẩn dạng S bị xử lí bằng nhiệt đã truyền tính trạng hình thành màng nhày cho tế bào dạng R làm cho vi khuẩn này có màng nhày và gây độc. Quá trình biến nạp phụ thuộc vào 2 yếu tố: 1 - Chủng vi khuẩn và khả năng trở thành trở thành vi khuẩn nhận (tế bào khả biến). - Đoạn ADN biến nạp và những tính chất của nó (ADN biến nạp). Khả năng biến nạp xuất hiện trong khoảng 15 – 30 phút, ở cuối pha sinh trưởng cấp số, nó phụ thuộc vào tác nhân biến nạp, tác nhân này đã được chiết ra từ Diplococcus pneumoniae, nó là một loại prôtêin bền nhiệt với khối lượng phân tử thấp (khoảng 10.000 dalton), nó làm cho tế bào trở thành tế bào khả biến. Khả năng biến nạp chỉ có ở những vi khuẩn có thể cho những phân tử ADN của tế bào cho có khối lượng phân tử khoảng 5x106 dalton chui qua. ADN biến nạp phải là đoạn axit nucleic hai mạch. Sau khi qua màng tế bào nhận, ADN có một thời kì ẩn, tiếp đó là sự gắn ADN của tế bào cho vào hệ gen của tế bào nhận, rất có thể ADN biến nạp kết đôi với ADN của tế bào nhận tại đoạn tương đồng, sau đó có sự rứt đứt và có sự trao đổi các đoạn tương đồng này, bằng cách đó ADN biến nạp ra nhập hệ gen của vikhuẩn nhận. Có thể chia quá trình biến nạp thành 5 giai đoạn: - Cố định ADN lên tế bào nhận, ở đây tế bào nhận có những vị trí để hấp phụ ADN. - Sự xâm nhập của ADN biến nạp vào tế bào khả biến. - Sự liên kết của ADN biến nạp với đoạn tương đồng của thể nhiễm sắc của tế bào nhận. Sau khi chui qua màng tế bào khả biến, ADN biến nạp chịu tác động của các enzym giới hạn, biến đổi và sửa chữa. Nếu nó không nhanh chóng tìm thấy được đoạn tương đồng trên thể nhiễm sắc, thì nó sẽ bị phân cắt (Hình 2b). - Sự đồng hoá ADN ngoại sinh biến nạp vào ADN nội sinh nhờ tái tổ hợp, ở đây phải có sự tương đồng giữa các đoạn ADN nội sinh và ADN ngoại sinh. - Sự nhân lên của thể nhiễm sắc đã được đồng hoá. Quá trình biến nạp được mô tả ở hình 2a và 2b 2Hình 2a: Sơ đồ cơ chế biến nạp ở vi khuẩn gram dương Hình 2: Sơ đồ quá trình biến nạp thành công và không thành công Trong quần thể vi sinh vật chỉ những tế bào khả biến, mới chịu tác động của ADN biến nạp. Việc hình thành các tế bào khả biến phụ thuộc vào giống vi sinh vật, loại ADN biến nạp và thời kỳ sinh trưởng của tế bào nhận. Một trường hợp đặc biệt, khi nhiễm tế bào vi khuẩn một loại axit nucleic lấy từ bacteriophage, làm cho tế bào nhận có tính trạng của vi khuẩn đã bị nhiễm phage gọi là nhiễm nạp (Transfection). Hiện tượng biến nạp đã chứng minh tính di truyền đặc trưng của ADN, nó còn có ý nghĩa to lớn về thực tiễn có thể thực hiện sự biến đổi định hướng tính di truyền. * Tiếp hợp: Tiếp hợp là hiện tượng truyền vật chất di truyền theo một chiều từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận khi các tế bào cho và tế bào nhận tiếp xúc trực tiếp với nhau. Năm 1946 Lederberg và Tatum đã phát hiện sự tái tổ hợp bằng tiếp hợp giữa 2 vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp ( Hình 3). Hình 3: ảnh chụp TEM hai tế bào E.coli tiếp hợp nhờ lông giới tính. Tế bào F+ ở bên phải được phủ bởi nhiều nhung mao và một lông giới tính nối với tế bào F- Thí nghiệm: Lederberg và Tatum lấy 2 chủng khuyết dưỡng bổ trợ đối nhiều đặc điểm, xuất phát từ chủng tự dưỡng E.coli K12 có khả năng tổng hợp treonin, leucin, thiamin, phynylalanin bà biotin, kí hiệu Tr+, Leu+, B1+, Phe+ và Bio+. Hai chủng E.coli khuyết dưỡng có đắc điểm bổ trợ sau: Chủng A: Tr+, Leu+, B1+, Phe- và Bio-. Chủng B: Tr-, Leu-, B1-, Phe+ và Bio+. Các ông cấy 109 vi khuẩn A hoặc 109 vi khuẩn B trên môi trường tối thiểu không chứa bất cứ một trong năm nhân tố sinh trưởng cần thiết đã nêu trên, sau một thời gian ủ trong tủ ấm, không thấy xuất hiện bất cứ một khuẩn lạc nào. Nhưng ngược lại, khi các ông cấy dàn hỗn hợp 108 các chủng A và B trên môi trường tổng hợp tối thiểu, thì xuất hiện một số ít khuẩn lạc, các khuẩn lạc này là những khuẩn lạc có khả năng tổng hợp cả 5 loại nhân tố sinh trưởng Tr+, Leu+, B1+, Phe+ và Bio+, giống như 3 các chủng hoang dại tự dưỡng, đó là chủng E.coli tái tổ hợp, các tế bào tái tổt hợp từ hỗn hợp huyền phù hai chủng A và B xuất hiện với tần số 10-6 đối với một tính trạng. Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm tái tổ hợp giữa hai chủng đột biến khuyết dưỡng E.coli bổ trợ nhau thông qua tiếp hợp Năm 1952, Hayes chứng minh rằng các chủng A và B được Lederberg sử dụng không có cùng một khả năng sinh trưởng và truyền thông di truyền, hay là trong tế bào E.coli cho có yếu tố giới tính được kí hiệu là F+ (Fertility), còn tế bào không có yếu tố giớ tính kí hiệu là F- chỉ có thể làm tế bào nhận. Nếu lai F+ với F- thì có chủng tái tổ hợp với tần số khoảng 10-6, nếu lai F- với F- thì không có sự tái tổ hợp, nếu lai F+ với F+ thì có thể tạo ra chủng tái tổ hợp nhưng với tần số rất thấp. Bản chất của yếu tố F trong E.coli K12 là cấu trúc ADN vòng có độ dài khoảng 2% chiều dài thể nhiễm sắc vi khuẩn, nó gồm khoảng 105 cặp bazơ nitơ. Bên cạnh chủng F+ có khả năng tái tổ hợp với tần số thấp, còn có các chủng cho tần số tái tổ hợp rất cao (khoảng 10-2, 10-3), gọi là chủng Hfr (High Frequency of recombenation). Ở các chủng Hfr nhân tố F ra nhập vào thể nhiễm sắc của vi khuẩn. Vi khuẩn nhận (F-) không có yếu tố giới tính F, khi tiếp hợp với tế bào cho (F+) mà có thể thu được yếu tố F để trở thành tế bào có yếu tố giới tính (F+). Hiện tượng này được mô tả ở hình 5: 4 Hình 5 Một số ít tế bào nhờ kết quả việc gắn yếu tố F vào thể nhiễm sắc của vi khuẩn, mà tế bào F+ đã biến thành tế bào Hfr. Được mô tả ở hình 6: Hình 6 Khi tế bào cho Hfr chuyền một phần thể nhiễm sắc vào tế bào nhận F- thì làm cho tế bào nhận tái tổ hợp F-. Hiện tượng này được mô tả ở hình 7: Hình 7 Sự vận chuyển thể nhiễm sắc từ vi khuẩn Hfr không phổ biến bằng sự vận chuyển các plasmid của vi khuẩn F+ cho vi khuẩn nhận, do kích thước của plasmid bé hơn nên sự vận chuyển dễ hơn và diễn ra thường xuyên hơn, hơn nữa khi plasmid đã được chuyển sang thì không gia nhập vào hệ gen của vi khuẩn mà tồn tại độc lập ở ngoài hệ gen này. Yếu tố F có thể gắn vào bất kỳ điểm nào của thể nhiễm sắc, chỗ gắn yếu tố F quy định điểm và “lực khởi đầu” của thể nhiễm sắc và hướng vận chuyển của thể nhiễm sắc này cho tế bào nhận, điều đó có ý nghĩa cho phép nghiên cứu mối liên hệ giữa các gen và có thể vẽ được bản đồ di truyền của tế bào. * Tải nạp: Tải nạp là quá trình truyền thông tin di truyền từ một vi khuẩn (nòi cho) sang vi khuẩn khác (nòi nhận) thông qua vật trung gian là thể thực khuẩn. Hiện tượng tải nạp được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1951 nhờ thí nghiệm của Zinder và Lederberg làm trên Salmonella typhimurium. Zinder đã làm thí nghiệm với hai chủng khuyết dưỡng Salmonella: chủng thứ nhất (2A) cần histidine để phát triển (H-), chủng thứ hai (22A) cần tryptophan (T-). Trong một ống hình chữ U mà ở đáy có một màng kính ngăn không cho các vi khuẩn đi qua, nhưng có thể cho virut đi qua. Các ông cho vào một nhánh 108 vi khuẩn 22A (Triptophane-) và nhánh kia -108 5 vi khuẩn 2A (histidine-). Sau một thời gian thì ở nhánh vi khuẩn 22A người ta thu được các chủng tự dưỡng với tần số khoảng10-5 và không thấy tế bào tự dưỡng nào ở nhánh của chủng 2A. (Hình 8) Hình 8: Thí nghiệm của Zinder và Lederberg Như vậy, phage ôn hoà P22 sinh sản trong tế bào cho 2A, sau khi làm tan tế bào, giải phóng ra các hạt phage mới, một số phage trong quá trình hình thành, đáng lẽ phải mang ADN của riêng mình, thì lại mang đoạn ADN của tế bào chủ (tức là tế bào 2A), khi trộn phage tải nạp này với huyền phù của tế bào nhận 22A, thì các phage này tấn công, nhưng các chủng 22A là các tế bào sinh tan đối với phage p22, nên những tế bào 22A không bị tan mà còn tiếp nhận đoạn ADN của tế bào cho 2A do phage 22 mang đến (Hình 9). Hình 9: Quá trình tải nạp Có hai dạng tải nạp chủ yếu: - Tải nạp không đặc hiệu là loại tải nạp, khi phage có thể gắn vào đoạn bất kỳ gen nào của tế bào chủ và do đó có thể chuyển bất kì gen nào sang cho tế bào nhận. - Tải nạp đặc hiệu là loại chuyển những gen xác định của tế bào cho sang tế bào nhận. Một trường hợp khác, khi đoạn gen ngoại lai (exogenote) không được nhân lên trong tế bào nhận và nó bị thưa dần trong quá trình phân chia của tế bào, đó là tải nạp đình trệ (abortif transduction). 6 Năm 1952, Zinder thí ngiệm với vi khuẩn thương hàn Salmonella typhimurium, ông nhiễm cho chủng vi khuẩn tự dưỡng biotin (B+) bằng phage ôn hoà P22, sau khi làm tan vi khuẩn, ông đưa P22 vào huyền phù có tế bào nhân, tế bào khuyết dưỡng biotin (B-) tế bào sinh tan đối với P22, thì thấy xuất hiện các tế bào B+ trong huyền phù tế bào khuyết dưỡng. Sơ đồ thí nhiệm được mô tả ở hình 10. Hình 10: Sơ đồ thí nghiệm tải nạp khi dùng chủng tự dưỡng biotin B+ làm chủng cho và chủng khuyết dưỡng biotin B- làm chủng nhận Trên vi khuẩn Salmonella typhimurium còn phát hiện thấy hiện tượng tải nạp đối với gen qui định tính bền vững vơi Streptomycin (Sr). Qua trình tải nạp đối với gen này nhờ phage ôn hoà tương ứng được nêu trong sơ đồ hình 11: Hình 11: Sơ đồ truyền nguyên liệu di truyền trong quá trình tải nạp yếu tô Sr 7 Đoạn ADN của tế bào cho sau khi đã được tải nạp vào tế bào nhận có thể biến đổi theo các hướng sau:(Hình 12) - Đôi khi đoạn gen tải nạp bị mất đi qua những lần phân chia tế bào tiếp sau và khi đó kiểu gen của tế bào nhận không thay đổi (kiểu A). - Khi hệ gen của vi khuẩn sinh sản đoạn tải nạp không sinh sản vì sau mỗi lần phân chia tế bào, nó chỉ chuyển đến một trong hai tế bào con (kiểu B). - Tế bào được tải nạp mở đầu cho một dòng tế bào (dòng dị gen tử ), những tế bào này, ngoài hệ gen đầy đủ của vi khuẩn còn mang một đoạn nguyên liệu di truyền nhỏ của vi khuẩn cho. Đoạn này tái sinh đồng thời với hệ gen của vi khuẩn nhận và được truyền cho tất cả các tế bào con qua các lần phân bào (kiểu C). - Trong quá trình tải nạp có thể xuất hiện những dòng vi khuẩn tái tổ hợp di truyền bền vững do đoạn tải nạp gắn với hệ gen của vi khuẩn bằng cách thay thế đoạn tương đồng trên hệ gen này (kiểu D). Hình 12: Sơ đồ hoạt động của đoạn nguyên liệu di truyền trong qua trình tải nạp Việc nghiên cứu hiện tượng tại nạp có thể biết được khoảng cách giữa các gen và do đó xác định được vị trí của chúng trên thể nhiễm sắc. Việc phát hiện và làm rõ được bản chất của các quá trình chuyển gen ở vi khuẩn có ý nghĩa rất to lơn trong việc ứng dụng vào công nghệ sinh học vục phụ đời sống của con người, như: tạo ra được các chủng vi khuẩn sản xuất ra hooc môn insulin bằng cách chuyển gen quy định insulin ở tế bào người vào vi khuẩn. Tạo ra các chủng vi khuẩn sản xuất hooc môn sinh trưởng, chuyển gen kháng virus ở vi khuân vào cây 8 9 Tuy nhiên việc nghiên cứu di truyền ở vi sinh vật còn nhiều vấn đề cần phải tiếp tục làm rõ và mở ra nhiều triển vọng trong khoa học hiện đại.