Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu Di truyền học vi sinh vật phần mở đầu Bởi: Nguyễn Lân Dũng PGS TS Phạm Thành Hổ Tính cách mạng Di truyền học vi sinh vật Nhân loại sống cuối thập niên kỉ 21 – kỉ Công nghệ sinh học Di truyền học sâu vào vấn đề sựtồn lưu truyền sống nên giữ vị trí đặc biệt quan trọng, có người ví "Di truyền học trái tim Sinh học", không nhiều, liên quan chi phối lĩnh vực sinh học, từ chế phân tử sống tiến hóa toàn giới sinh vật hành tinh Những phát minh lớn với số lượng tăng vọt di truyền học có tác dụng cách mạng hóa sinh học, biến sinh học từ mô tả thành thực nghiệm xác Hội nghị Di truyền học giới Toronto (Canada) năm 1988 nêu phương châm "Di truyền học hóa" Sinh học Suốt kỉ XX, nghiên cứu tập trung giải vấn đề gen dẫn đến Thời đại gen, Cách mạng di truyền, mà đỉnh cao việc hoàn tất Bộ gen người vào năm 2003 mở Thời đại sau Bộ gen (Post-Genomeics Era) Các đối tượng vi sinh vật góp phần chủ yếu vào phát minh tảng di truyền học phân tử, mà sinh học phân tử sinh học đại nói chung Điểm qua lịch sử phát minh sinh học phân tử thấy rõ vai trò cách mạng hóa đối tượng Giả thiết gen – enzym Vào năm 1941, G Beadle E Tatum tiến hành thí nghiệm vi nấm Neurospora crassa Công trình chứng minh mối liên hệ gen tính trạng thông qua việc kiểm soát enzym – protein qua kiểm soát phản ứng sinh hóa tế bào Giả thuyết mở trang mối quan hệ chức gen enzym đường trao đổi chất thể Phát minh có ý nghĩa quan trọng: bước chuyển 1/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu tiếp từ di truyền học cổ điển sang di truyền phân tử Chính vậy, hai ông nhận giải thưởng Nobel vào năm 1958 Các chứng minh trực tiếp ADN vật chất di truyền Ngay sau định luật Mendel phát lại vào năm 1900, di truyền học phát triển nhanh với thuyết di truyền NST nhiều thành tựu khác gây đột biến nhân tạo Tuy nhiên 1940, chưa có bước tiến triển hiểu biết chất hoá học vật liệu di truyền chưa hiểu cách gen nhiễm sắc thể biểu tính trạng Trong thời gian dài, có nhiều số liệu gián tiếp cho thấy ADN vật chất di truyền, protein coi thành phần chủ yếu vật liệu di truyền có cấu trúc phân tử phức tạp Do vậy, chứng minh trực tiếp Vi sinh vật có ý nghĩa định xác nhận vai trò ADN a Biến nạp : truyền thông tin di truyền nhờ ADN Năm 1928, Griffith phát hiện tượng biến nạp (transformation) vi khuẩn Diplococus pneumoniae (nay gọi làStreptococus pneumoniae Năm 1944, T.Avery, Mc Leod Mc Carty xác định rõ tác nhân gây biến nạp ADN Hiện tượng biến nạp chứng trực tiếp xác nhận ADN mangthông tin di truyền b Sự xâm nhập ADN virut vào vi khuẩn Năm 1952, A.Hershey M.Chaz tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 (virut vi khuẩn hay gọi tắt phage) xâm nhập vi khuẩn E coli, chứng minh trực tiếp ADN phage T2 xâm nhập vào tế bào vi khuẩn sinh sản tạo hệ phage mang tính di truyền có khả tiếp tục lây nhiễm vi khuẩn khác Kết luận: Vật chất di truyền phage T2 ADN Năm 1952 diễn nhiều tranh luận sôi vai trò ADN: vật chất di truyền Sau đó, năm 1953 mô hình Waston Crick đặt dấu chấm kết cho giai đoạn nghi ngờ ADN có vật liệu di truyền hay không Các chứng minh trực tiếp nêu tiền đề quan trọng cho phát minh mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN Waston Crick Nóđã tạo nên bước phát triển cho sinh học dẫn đến hình thành sinh học phân tử đại Chi tiết hóa “học thuyết trung tâm„ sinh học phân tử: ADN → ARN → Protein a Sao chép ADN 2/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu – Trong năm 1955, A Kornberg đồng phân lập ADN polymeaz I từ vi khuẩn E coli Sau cho enzym vào ống nghiệm muối chứa ADN loại nucleotit triphotphat, hỗn hợp tổng hợp mạch ADN – Năm 1958, đối tượng E coli, M.Meselson F Stahl chứng minh ADN chép theo chế “bán bảotồn”: mạch bố mẹ làm khuôn cho tổng hợp mạch ADN Cho đến nay, toàn chi tiết chép ADN thực E coli b Các trình phiên mã, dịch mã điều hòa sinh tổng hợp protein Trên đối tượng E coli: – Năm 1961: S Brenner, Fr Jacob M Meselson khám phámARN phân tử mang thông tin di truyền ADN từ nhân đến máy sản xuất protein nằm tế bào chất Điều bác bỏ giả thuyết Fr Crick nêu năm 1958 cho ARN riboxom phân tử trung gian mang thông tin di truyền từ nhân sang tế bào chất – 1961 – 1966: Mã di truyền khám phá (Giải Nobel) – Ngoài phát minh trên, toàn trình phiên mã, dịch mã, cấu trúc riboxom thực trước tiên E coli – 1962: Phát chế điều hòa sinh tổng hợp protein Operon lactoz.(Giải Nobel) – 1970: Phát enzym Reverse transcriptaz (Giải Nobel) Những đóng góp cụ thể đối tượng làm mô hình chủ yếu Việc tìm hiểu đóng góp cụ thể đối tượng làm mô hình chủ yếu giúp hiểu rõ cách hệ thống cụ thể vai trò “cách mạng cách mạng” di truyền Vi sinh vật a Vi khuẩn Escherichia coli (E coli) – Các đóng góp chủ yếu: Đối tượng chủ yếu dùng cho nghiên cứu: • • • • Sao chép, phiên mã, dịch mã tái tổ hợp Đột biến Điều hòa biểu gen (Gen regulation) Kỹ thuật ADN tái tổ hợp (recmbinant ADN technology) 3/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu – Đóng góp cho nghiên cứu lĩnh vực khác: Trao đổi chất tế bào (Cell metabolism), gen ức chế vô nghĩa (Nonsense suppressors), tuyến tính (Colinearity) gen polypeptit, Operon, kháng thuốc dựa vào plasmid (Plasmid-bazơd drug resistance) vận chuyển tích cực (Active transport) b Nấm men Saccharomyces cerevisiae (S cerevisiae) – Vai trò chủ yếu cho nghiên cứu: • Chu trình tế bào (Cell cycle): Sự xác định gen kiểm soát phân bào nhờ đột biến nhạy cảm nhiệt (temperature-sensible mutants (cdc mutants)) dẫn đến mô hình tốt cho nghiên cứu phân bào • Tương tác gen (Gen interaction): nghiên cứu ức chế gen (suppression) Hệ thống plasmid lai kép (two-hybrid plasmid system) giúp tìm tương tác protein nấm men dẫn đến đồ tương tác phức tạp, mà khởi đầu cho sinh học hệ thống (systems biology) • Di truyền học ty thể: nhờ đột biến “petite” khả hô hấp mà phát gen ty thể Nhờ chúng đột biến khác ty thể mà phân tích chi tiết cấu trúc chức gen ty thể • Di truyền học kiểu bắt cặp (Gentics of mating typ): Các alen MAT nấm men gen kiểu bắt cặp xác định đặc tính mức phân tử – Những đóng góp khác: Di truyền khóa đóng mở (switching) tăng trưởng kiểu nấm men (yeast-like) sợi (filamentous); di truyền học thoái hóa (senescense) 4/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu c Nấm sợi Neurospora crassa: – Các đóng góp chủ yếu: • Di truyền sinh hóa trao đổi chất • Di truyền học giảm phân • Di truyền ty thể – Các đóng góp khác: đa dạng loài nấm thích nghi (adaptation), di truyền tế bào (cytogentics), gen kiểu bắt cặp, gen dung hợp thể dị nhân (heterokaryon-compatibility gens) Kỹ thuật di truyền mở đầu cách mạng Công nghệ sinh học a.Enzym giới hạn(restriction endonucleaz): Năm 1962, W.Arber lần chứng minh có enzym đặc biệt hạn chế (restriction) sinh sản phage tế bào E coli Năm 1968: Enzym cắt giới hạn khám phá: EcoR I Đến năm 1970, Hamilton Smith cộng tách loại enzym cắt giới hạn từ vi khuẩn Haemophilus influenzae, gọi Hind II Hammilton Smith, Nobel 1978 D.Nathans W.Arber 5/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu Stanley Cohen, Nobel 1986 Rita Levi-Montalcini Enzym công cụ kỹ thuật di truyền (Giải Nobel) b Kỹ thuật ADN tái tổ hợp: Năm 1972, nhóm Paul Berg tạo nên phân tử ADN tái tổ hợp in vitro từ ba nguồn khác nhau: nguyên gen virut SV 40 gây ung thư khỉ, phần gen phage gen operon lactoz E coli Năm 1973, nhóm Cohen, Helenski, Boyer lần thu nhận sản phẩm có hoạt tính từ ADN tái tổ hợp E coli (Giải Nobel) c Sản xuất protein tái tổ hợp: Năm 1977 xem năm mở cho kỷ nguyên công nghệ sinh học lần hormon tăng trưởng người xomatostatin sản xuất thành công đường tái tổ hợp gen vào vi khuẩn.E coli Năm 1978, sản xuất insulin người lần nhờ công nghệ gen d.Genomeics: Sự xác định xác trình tự(sequencing) nucleotit ADN hay gọi ngắn giải trình tự chuỗi (sequencing) thành công vi sinh vật gen người tạo nên khoa học gen gọi genomeics (genome - gen) hay gen học Genomeics giúp xác định nhanh chóng trình tự nucleotit ADN gen chức chúng Vi khuẩn Haemophilus influenza Những sinh vật hoàn tất giải trình tự chuỗi Vi sinh vật 6/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu – 1995: Hai vi khuẩn, hai sinh vật có cấu tạo tế bào hoàn tất giải trình tự chuỗi (sequencing) gen Haemophilus influenza Mycoplasma genitallum – Tháng 5/1996, nấm men Saccharomyces cerevisiae, sinh vật Nhân thực Eukaryota giải trình tự chuỗi hoàn tất – Tháng 9/1997: đăng tải trình tự gen hoàn chỉnh E coli Toàn việc giải trình tự chuỗi ADN tất sinh vật, kể gen người sử dụng công cụ từ đối tượng Vi sinh vật enzym cắt giới hạn, vector plasmid tạo dòng, NST nhân tạo nấm men (YAC) vi khuẩn (BAC) Sự hấp dẫn nhà vật lý hóa học Di truyền học đại hình thành phương pháp phân tích di truyền (methodes of gentic analysis) cho phép phát trình sinh học tính di truyền biến dị đến cấp độ phân tử nguyên tử, tức phạm trù nghiên cứu chủ yếu vật lý hóa học Các vi sinh vật vi nấm, vi khuẩn phage đóng vai trò định vấn đề Dĩ nhiên, nhận thức trình di truyền cấp độ phân tử trở thành thực sau phát minh chuỗi xoắn kép ADN Nhiều người cho vai trò hàng đầu hình thành di truyền học phân tử việc sử dụng rộng rãi phương pháp vật lý hóa học Vật lý hóa học đóng vai trò định nghiên cứu chế phức tạp mối quan hệ gen với trình sinh tổng hợp tế bào Tuy nhiên ý nghĩa quan niệm di truyền phân tử tăng vọt lực phân giải di truyền (gentic resolving power) nhờ việc sử dụng vi sinh vật Vì nói phát triển quan niệm di truyền phân tử trở thành thực nhờ di truyền học vi sinh vật Đánh giá vai trò nhà vật lý học phát triển di truyền học phân tử, phân họ thành nhóm Một nhóm tham gia trực tiếp vào thí nghiệm di truyền vi khuẩn bacteriophage (Delbruck, Benzer, Fris, Levental,…) họ thực công trình thú vị, nhiên họ không tạo phương pháp phân tích di truyền (gentic analysis) Sự tham gia họ vào di truyền học có lợi nhờ nguồn sáng tạo tư vật lý Nhóm nhà vật lý khác tham gia vào di truyền học “suy diễn trí tuệ” có đóng góp cho di truyền học phân tử Trên thực tế, mầm mống di truyền học phân tử chứa đựng học thuyết gen Mendel, nguyên lý di truyền nhiễm sắc thể Morgan Trong năm 1940, giai đoạn di truyền học bắt đầu Vào thời điểm có nhóm nhà khoa học quan tâm đến chất gen Phần lớn họ nhà vật lý học, họ khác nhà di truyền học cổ điển tư lẫn định hướng Đa số 7/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu “tân binh„ biết thành tựu di truyền học vài thập niên trước đó, chí sinh học nói chung Sự quan tâm họ đến sinh học giới hạn chủ yếu vào vấn đề thông tin di truyền có sở vật lý nào? Việc nhà vật lý học tham gia giải vấn đề sinh học điều lạ, Mendel xuất thân nhà vật lý học Tuy nhiên hút nhà vật lý học đến với di truyền học vào năm 1940 có nguyên nhân đặc biệt Đúng vào thời điểm này, mà giới khoa học ngừng phổ biến ‘sinh lực luận’, nhà vật lý học tiếng Niels Bohr, giải Nobel thuyết lượng tử (Quantic Mechanics), nêu quan điểm số qua trình sinh học không giải thích trọn vẹn khái niệm vật lý cổ điển Sau xây dựng thuyết lượng tử, Bohr phát triển khái niệm tổng quát Năm 1932, hội nghị quốc tế quang học, Bohr phát biểu rằng:“Sự công nhận tầm quan trọng lớn nguyên tử chức sinh vật tự không đủ để giải thích cách toàn diện tượng sinh học Vấn đề chỗ làm phân tích tượng tự nhiên không bỏ sót số đặc điểm quan trọng để hiểu sống sở thí nghiệm vật lý” Năm 1935, Max Delbrück, học trò Bohr, báo “Về chất đột biến gen cấu trúc gen” giải thich rằng, Di tuyền học lĩnh vực sinh học, mà giải thích từ quan điểm vật lý hóa học dường “không đủ” theo quan niệm mà Bohr nêu Ông “nếu vật lý số đo, bản, dẫn đến đo không gian thời gian, khái niệm di truyền học - khác tính trạng - biểu thị đơn vị tuyệt đối” Theo Delbrück, di truyền học có tính độc lập gen phân tử có tính ổn định cao thời gian dài không phụ thuộc tác động môi trường Năm 1945, sau chiến thứ II, sách nhỏ “Thế sống ?” (What is the life ?) xuất Tác giả sách E Schrödinger, nhà vật lý học tiếng xây dựng thuyết học lượng tử Quyển sách thu hút ý công chúng, đặc biệt nhà vật lý học, Schrödinger cổ vũ cho nghiên cứu sinh học tìm quy luật vật lý Bắt đầu sách, Schrödinger cho “việc vật lý hóa học đại chưa có khả giải thích trình sống nghĩa giải thích nhờ khoa học này” Ông cho tính di truyền chủ đề cần giải thích Điều làm cho Schrödinger ngạc nhiên làm gen nhỏ bé kháng lại dao động môi trường diễn liên tục mà hình dạng môi dòng họ Gabsburg truyền qua nhiều kỷ Ông cho nhiễm sắc thể tinh thể chu kỳ (aperiodic crystall), có xếp mã di truyền (gnetic code) theo thứ tự xác Schrödinger cho chất sống có “những quy luật vật lý chưa biết đến” Các quan điểm Bohr Schrödinger cổ vũ nhiều nhà vật lý học chuyển sang nghiên cứu di truyền học với hoài bão lãng mạn tìm quy luật vật lý 8/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu chất cấu trúc gen Đến năm 1965, kỷ niệm 100 năm công trình Mendel, chất gen sáng tỏ, không tìm quy luật vật lý mới, chuyện đứt nối liên kết hydro Tuy nhiên, nói di truyền học tiếp thêm nguồn sinh lực nhà vật lý, hóa học với công cụ vàtư xác thực thí nghiệm đối tượng Vi sinh vật có nhiều ưu Họ bắt đầu nghiên cứu từ sinh vật đơn giản phage, vi khuẩn - sinh vật nhân sơ M Delbruck, nhà vật lý học chuyển hoàn toàn sang nghiên cứu sinh học, phát biểu lĩnh vực nghiên cứu virut vi khuẩn sân chơi tuyệt vời, nơi mà nhiều câu hỏi sâu xa nảy sinh Thêm vào hóa học đà phát triển cung cấp nhiềuphương pháp tinh vi để xác định đánh giá kết thí nghiệm 9/9 ... vật lý học, họ khác nhà di truyền học cổ điển tư lẫn định hướng Đa số 7/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu “tân binh„ biết thành tựu di truyền học vài thập niên trước đó, chí sinh học nói... khuẩn Haemophilus influenza Những sinh vật hoàn tất giải trình tự chuỗi Vi sinh vật 6/9 Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu – 1995: Hai vi khuẩn, hai sinh vật có cấu tạo tế bào hoàn tất giải.. .Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu tiếp từ di truyền học cổ điển sang di truyền phân tử Chính vậy, hai ông nhận giải thưởng Nobel vào năm 1958 Các chứng minh trực tiếp ADN vật chất di truyền