CHƯƠNG 9 DI TRUYỀN VI SINH VẬT

 Những biến đổi liên quan đến yếu tố di truyền Ở vi khuẩn có thể có những thay đổi tính trạng gây ra bởi sự thay đổi sâu sắc đến các tín hiệu di truyền trong nhân tế bào.. HIỆN TƯỢNG Đ

Chương 9 DI TRUYỀN VI SINH

VẬT

sinh vật

truyền của vi sinh vật:

di truyền của vi sinh vật

 Sự biến đổi (variation) không liên quan đến di truyền của VSV

 Là sự thay đổi tạm thời những đặc tính

( hình thái hay tính chất sinh lý) của vi sinh vật Sự biến đổi này không có tính di truyền nhưng

thể quay lại các tính chất ban đầu nếu đặt

trở lại điều kiện sống bình thường

 Biến đổi này hoàn toàn không do thay đổi cấu trúc di truyền của tế bào Ta còn gọi là biến đổi tượng hình (biến đổi phenotyphe)



Sự biến đổi này có liên quan đến các giai đoạn tăng trưỡng của vi sinh vật hay liên quan đến sự nuôi dưỡng vi sinh

vật trong những điều kiện vật lý, hóa

học khác nhau khác nhau

Ví dụ:

 * Biến đổi hình thái có liên quan

đến giai đoạn tăng trưỡng: Cuối giai đoạn tiềm ẩn (lag phase) vi khuẩn thường có

kích thước to khác thường Giai đoạn logarit

vi khuẩn cóhình dạng và kích thước bình

thường Giai đoạn suy tàn : vi khuẩn có

hình dạng và kích thước thay đổi.

 *Biến đổi đặc tính sinh lý do điều kiện nuôi cấy : Nấm men nuôi trong điều kiện yếm khí thì chúng sẽ lên men chất hữu cơ, nhưng nuôi trong điều kiện có

không khí thì sự lên men dừng lại, thay

vào đó chúng sẽ hô hấp hiếu khí.



 Những biến đổi liên quan đến yếu tố di truyền

Ở vi khuẩn có thể có những thay đổi tính trạng gây ra bởi sự thay đổi sâu sắc đến các tín hiệu di truyền trong nhân tế bào Những biến đổi di hình ( biến đổi

genotyphe) thường ổn định và có thể di truyền cho thế hệ sau Nguyên nhân của các biến đổi các tín hiệu di truyền ở vi khuẩn là do :

-Hiện tượng đột biến ( Mutants) -Hiện tượng tái tổ hợp gen ở vi

khuẩn (recombinants)

HIỆN TƯỢNG ĐỘT BIẾN (MUTANTS)

 Đột biến là những thay đổi có tính nhảy vọt các tính trạng của vi sinh vật có liên quan đến sự biến đổi sai lệch một

cách ngẫu nhiên hoặc cảm ứng phân tử acid nucleic của ADN Đột biến chính là sự biến đổi đột ngột của gen

 Tính chất của đột biến là không

thể định hướng được , có tính di

truyền và không liên tục Có nghĩa

là một khi vi sinh vật đã đột biến, chúng sẽ không thể có lại được những đặc tính ban đầu , trừ phi có sự biến chủng ngược ( sự hồi biến)

2 Phân loại đột biến:

 Dựa vào tác nhân gây đột biến: có hai loại:

 - Đột biến ngẫu nhiên ( tự phát):

xãy ra một cách tự nhiên, không cần có sự can thiệp của con người Loại

đột biến này có tần số rất thấp 4- 10-9) Đột biến ngẫu nhiên có thể không có nguyên nhân , hay có thể

(10-có những nguyên nhân mà con người không kiểm soát được ( các yếu tố

môi trường như tia UV, các tia phóng

xạ )

do con người chủ động làm gia tăng

tần số đột biến bằng cách dùng

những tác nhân gây đột biến mhư:

sử dụng tia U.V, tia X,hạt notron, các hợp chất hóa học ( acid vô cơ, kiềm , muối amon , H2O2,, acid hữu cơ,thuốc nhuộm màu, formaldehid, phenol , dietyl sulphat , acridin, iod )



 Dựa vào kiểu biến đổi cấu trúc

gen: có 2 dạng đột biến

 - Đột biến điểm ( đột biến gen)

là đột biến gây bởi sự thay thế

điểm có thể phục hồi được

dòng ban đầu nhờ hiện tượng tái

 -Đột biến đoạn: là đột biến gây

ra do gãy cầu nối hóa học giữa

gốc đường và phosphat trong phân tử ADN Hậu quả là ADN có thể

có biểu hiện thay đổi lớn , không phục hồi được dòng ban đầu tổ

hợp.

 Nguyên nhân phát sinh đột biến

 Cơ chế chung của quá trình phát sinh đột biến là các tác nhân gây đột biến tác dụng lên cấu trúc gen và làm

xảy ra những sai sót trong quá trình sao lại của

ADN Trên mạch ADN, có những điễm dễ bị các tác nhân đột biến tác động hơn những điểm khác, điểm đó được gọi là điểm nóng.

 3.1.Một số hóa chất có thể là các tác nhân làm phát sinh đột biến

 Ví dụ1 : chất 5.Bromuracin (Bu) là chất đồng đẳng với Thimin, có cấu tạo gần giống nên có thể thay thế Thimin trong cặp

A -T để tạo thành cặp A-Bu Bản thân sự thay thế A-T thành A-Bu không xảy ra đột biến Sự đột biến xảy ra khi quá

trỉnh sao chép tiếp sau, khi đó xảy ra việc ghép đôi giữa Bu-G Sau quá trình sao chép tiếp , sẽ tạo thành 2 cặp G-C

và và A-Bu Như vậy sau quá trỉnh sao chép cặp A-T sẽ được thay thế bởi cặp G-C Lúc đó đột biến xảy ra.



 (Do sự ghép đôi nhầm lẫn giữa T và Bu, mà qua 4 lần phân

 4 Chọn lọc đột biến:

 Là tách tế bào đột biến ra khỏi quần thể Cóù thể để tự nhiên, vi khuẩn bị đột biến được tách ra khỏi quẩn thể

bình thường của chúng Tuy nhiên hiện tượng này khó xảy ra, vì tần số đột

biến quá thấp , nên sau thời gian , vi

khuẩn đột biến bị che lấp trong quẩn

thể Tế bào đột biến chỉ bộc lộ khi tốc độ phân chia của nó cao hơn gắp nhiều lần vi khuẩn không bị đột biến.

 Để chọn lọc đột biến người ta thường dùng môi trường nuôi cấy có chất ức chế các vi khuẩn không bị đột biến , chỉ cho vi khuẩn đột biến mọc được

Thí dụ: dùng môi trường có kháng sinh streptomycin để chọn lọc vi khuẩn đột

biến kháng streptomycin

 5 Sự thích nghi:

 Ở vi sinh vật thường xảy ra hiện tượng biến đổi

hình thái hay kiểu trao đổi chất để thích nghi với

môi trường mới Hiện tượng này có thể được con người áp dụng để huấn luyện vi sinh vật thích nghi với môi trường mới bằng cách nâng dần mức độ biến đổi của mội trường Hiện tượng này còn được gọi là sự thích ứng.

 Ví dụ: nuôi một loại vi khuẩn trong môi trường có kháng sinh mà chúng rất nhạy cảm Sau nhiều lần nuôi cấy, dần dần sẽ có một chủng vi khuẩn

sống được trong môi trường có kháng sinh trên Như vậy đã có hiện tượng vi khuản thích nghi với môi

trường có chứa kháng sinh ( hiện tượng lờn thuốc hay kháng thuốc kháng sinh ở vi khuẩn).

trên cũng là do đột biến Có nghĩa là trong quần thể ban đầu ( trước khi vi khuẩn tiếp xúc với kháng sinh) đã có một vài tế bào có đột biến gen và có khả năng đề kháng được kháng sinh Khi quần thể vi sinh vật tiếp xúc với kháng sinh trong môi

trường , thì các tế bào đột biến đề kháng với

kháng sinh sẽ có ưu thế phát triển mạnh , và dần dần chiếm ưu thế trong quần thể, và cuối cùng

dạng mới này (dạng đề kháng kháng sinh ) có thể thay thế toàn bộ dạng ban đầu ( nhạy cảm với

kháng sinh).

Ưùng dụng của đột biến vi sinh vật:

 * Dùng ethylenin và bức xạ tử ngoại để gây đột biến các

chủng nấm sản xuất kháng sinh penicillin với năng suất tăng cao

hơn gắp trăm lần chủng bình

thường

 * Tạo đột biến về sinh hóa ,

làm ngăn trở sự chuyển hóa

a.asparagin thành homoserin , nhờ

đó toàn bộ a.asparagin được dùng trong sinh tổng hợp lisin Làm tăng năng suất lisin lên gắp 300 lần

chủng ban đầu.

SỰ TÁI TỔ HỢP GEN Ở VI KHUẨN (RECOMBINANTS)

đường truyền thông tin di truyền ở vi

khuẩn , đó là :

 * Tải nạp

 * Tiếp hợp

truyền từ thể cho sang thể nhận , ở đây có hiện tượng tái tổ hợp (recombinants)

giữa hệ gen cùa tế bào thể cho và hệ gen của tế bào thể nhận.

1 Hiện tượng biến nạp ( transformation):

 Định nghiã :

 Biến nạp là sự biến đổi tính trạng của vi khuẩn dưới ảnh hưỡng của sự xâm nhập một đoạn ADN lạ từ môi

trường bên ngoài Đoạn ADN lạ này

được phóng thích từ một tế bào vi

khuẩn khác ( vi khuẩn cho ADN)

 Ở đây sự biến nạp không cần

tiếp xúc giữa hai tế bào Cơ chế nầy rất nhạy với enzim ADNase

(desoxyribonuclease) vì enzime này có

thể thuỷ phân các phân tử AND hoà tan

 Hiện tượng biến nạp được biết lần đầu từ thí nghiệm của Griffith thực hiện trên chuột với phế cầu khuẩn

Pneumococcus

* Thí nhiệm của Griffith

Thí nghiệm được tiến hành như sau

 - Tiêm Pneumococcus S1 cho chuột: chuột chết.

 - Tiêm Pneumococcus R2 cho chuột : chuột không chết.

 - Tiêm Pneumococcus S1 đã bị giết chết bởi nhiệt : chuột không chết.

 - Trộn S1 đã chết với R2 còn sống, rồi tiêm vào

chuột, chuột chết

 Từ con chuột bị chết này người ta phân lập được

vi khuẩn S1 còn sống Vậy vi khuẩn R2 đã lấy một vật liệu nào đó của S1 đã chết để biến thành S1 sống , và gây chết cho chuột

 Chất liệu đó là gì? Mãi tới năm 1943 mới được giải đáp bằng thí nghiệm của Avery.

Thí nghieäm Griffith

Cơ chế hiện tượng biến nạp:

 Tế bào vi khuẩn có thể cho ADN xâm nhập vào tế bào được là do trong một giai đoạn tăng trưởng nào đó của tế bào, trên bề mặt của tế bào có hiện

diện những điểm tiếp nhận đặc biệt gọi là nhân tố dung nạp (competent factor) Nhân tố này có khả năng tiếp nhận đọan ngắn ADN từ môi trường bên ngoài

để đưa vào bên trong tế bào vi khuẩn , nhờ đó xảy ra tái tổ hợp.

 Muốn thực hiện sự biến nạp cần phải có 2 điều kiện:

 -Phải có trong môi trường các đoạn AND

 - Khả năng dung nạp ADN của vi khuẩn nhận.

 Không phải tất cả các vi khuẩn đều nhận ADN vào như nhau, mà cần phải sử dụng một số chất để tạo lổ trên vách tế bào, giúp sự xâm nhập dễ dàng của AND như: CaCl2 50 mM, LiCl ,

 Quá trình biến nạp gồm 5 giai đoạn:

 1 Sự tiếp xúc của đoạn AND lạ với tế bào nhận.

 2 Sự xâm nhập của AND vào tế bào nhận.

 3 Sự liên kết của AND lạvới đoạn tương đồng của

nhiễm sắc thể tế bào nhận.

 4 Sự đồng hóa phân tử ADN lạ vào AND của tế bào nhận nhờ tái tổ hợp.

 5 Sự nhân lên của nhiễm sắc thể có ADN biến nạp

 Quá trình biến nạp gồm 5 giai đoạn:

bào nhận.

nhận.

đồng của nhiễm sắc thể tế bào nhận.

của tế bào nhận nhờ tái tổ hợp.

ADN biến nạp

2 Hiện tượng tải nạp ( Transduction):

 Đó là sự truyền chất liệu di

truyền từ tế bào vi khuẩn cho sang tế bào vi khuẩn nhận qua trung gian của thực khuẩn thể (bacteriophage_ phage).

 Trong trường hợp này phage đóng

vai trò là một phage tải nạp Phage

tải nạp là một phage ôn hòa chỉ

chiếm một phần nhỏ (10-5- 10-8) trong quần thể.

 Hiện tượng tải nạp đã được Zinder

và Lederberg phát hiện năm 1952 trong

* Cơ chế tải nạp :

 Tải nạp là quá trình truyền những

đoạn ADN từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn

nhận nhờ một prophage:

 - Prophage xâm nhập vào hệ gen của

vi khuẩn thứ 1 ( vi khuẩn cho ADN)

 -Sau đó xảy ra sự tách bất bình thường

ra khỏi hệ gen của vi khuẩn, chúng mang theo một phần hệ gen của tế bào chủ,

sinh sản nhanh chóng và phá vở tế bào chủ ra ngoài và trở thành nhân tố tải

nạp

 -Nhân tố tải nạp này sẽ mang ADN

của vi khuẩn thứ 1 truyền cho một vi

khuẩn thứ 2 , vi khuẩn nhận ADN.

 - Tiếp theo là hiện tượng tái tổ hợp để gắn đoạn ADN tải nạp của thực khuẩn thể

 *Tải nạp chung:

 L à trường hợp virus tải một

khuẩn cho vào tế bào vi khuẩn nhận và sau đó thực hiện sự tái tổ hợp để gắn ADN này vào bộ gen của vi khuẩn nhận.

 *Tải nạp đặc hiệu (chuyên biệt):

 V iệc tải nạp chỉ thực hiện đối

với những gen nhất định Thí dụ:

đối với các prophage khi xáp nhập

vào một vi trí nhất định trên AND

của vi khuẩn (vị trí giữa gen A và Z)

 Khi prophage tách ra khỏi hệ gen

của vi khuẩn, nó sẽ để lại một đoạn gen của mình, và mang theo một

đoạn gen A hay Z của NST của vi khuẩn (gen nằm sát ngay vị trí mà prophage đã gắn vào).

Hiện tượng tiếp hợp ở vi khuẩn :

Định nghiã:

 Tiếp hợp ( conjugation) là hiện

tượng truyền vật liệu di truyền

ADN theo một chiều từ vi khuẩn

cho ( vi khuẩn đực) đến một vi

khuẩn nhận (vi khuẩn cái) bằng

sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai vi

khuẩn , để tạo ra một nòi lai mang

đặc tính của vi khuẩn nhận và

một phần đặc tính của vi khuẩ

cho.

 Sự tiếp hợp giữa hai vi khuẩn

(tế bào đơn bội) dẫn tới sự hình

thành một hợp tử (merozyzot)

chứa hệ gen của vi khuẩn nhận

và một đoạn gen của vi khuẩn

cho Hai thành phần này kết hợp

lại ngay thành một nhiễm sắc thể

duy nhất ( thể tái tổ hợp –

recombinants)



Thí nghiệm Lederberg và

Tatum (1946):

 Thí nghiệm được thực hiện trên hai thể đột biến

dị dưỡng của E.coli K12 để chứng minh có hiện

tượng lai ở vi khuẩn:

 -Vi khuẩn I mang kí hiệu B+ M+ L- T- B1- là thể

đột biến khuyết dưỡng đòi hỏi trong môi trường

phải có lisin , threonin, vitamin B1, không đòi hỏi biotin và methionin Nòi này nếu cấy trong môi trường tối thiểu thì không mọc được

 -Vi khuẩn II mang kí hiệu B -M- L +T +B 1+ là thể đột biến khuyết dưỡng đòi hỏi môi trường phải

có biotin và methionin , nhưng không cần cung cấp

lisin , threonin vitamin B1 Nòi này cấy trên môi

trường tối thiếu cũng không mọc được

 Trộn hai nòi vi khuẩn lại, và nuôi chung trong

môi trường dinh dưỡng đầy đủ ( nghĩa là có đủ 5 nhân tố tăng trưỡng ) trong 24 giờ Sau đó cấy trên môi trường tối thiểu Nhận thấy xuất hiện các

khuẩn lạc

 Những tế bào mọc được trên môi trường tối

thiểu tất nhiên phải kết hợp được các tính chất

của cả hai cha và mẹ mang kí hiệu B+ M+ L+ T+ B1+, nghĩa là có khả năng tổng hợp cả 5 nhân tố.

*Yếu tố giới

thước trung bình dài bằng 2% chiều dài của nhiễm sắc

thể của vi khuẩn Yếu tố F mang các gen mã hóa cho đặc tính “ đực” của tế bào F +,bao gồm khả năng tạo cầu

tiếp hợp giữa tế bào cho với tế bào nhận , cũng như

khả năng tạo pili sinh dục và các lực kích động đứng đằng sau sự truyền gen

 Yếu tố F có thể tồn tại trong tế bào dưới hai

trạng thái khác nhau :

 -Hoặc ở trạng thái độc lập trong tế bào chất của vi

khuẩn, nó có khả năng nhân lên một cách độc lập.

 -Hoặc ghép vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn như một

prophage và chỉ được nhân lên đồng thời với nhiễm sắc thể của vi khuẩn Lúc đó yếu tố F được gọi là episom, và

vi khuẩn được gọi là tế bào Hfr

 Yếu tố F có thể được truyền từ tế bào này sang tế bào khác Các vi khuẩn không mang yếu tố F là các

vi khuẩn cái, chỉ có khả năng nhận ADN, còn các vi

khuẩn mang yếu tố F là các vi khuẩn đực có khả năng cho ADN.

 Trong quá trình tiếp hợp, yếu tố F có khả năng tự tái tạo trong các tế bào F+, nghĩa là sau khi truyền yếu tố F qua tế bào nhận F- , trong tế bào F+ vẫn còn tồn tại yếu tố F.

 Các loại vi khuẩn đực mang yếu

tố F



 1. Vi khuẩn F+ : có yếu tố giới tính F nằm tự do trong tế bào chất và chúng được sao chép một cách độc lập Khi lai F+ x F- , yếu tố F được truyền cho tế bào nhận F- và biến các tế bào F- thành tế báo F+ Tế bào F+ sau khi truyền yếu tố F cho tế bào

F- ,vẫn còn là tế bào F+ Hiện tượng tiếp hợp này xảy ra ở tần số thấp.

 F+ x F- 2F+

 2.Vi khuẩn Hfr (High frequency recombinant) là

vi khuẩn có tần số tái tổ hợp cao, có yếu tố giới tính F được gắn vào nhiễm sắc thể (AND vòng) của vi khuẩn tại một vi trí nhất

định Do nhiễm sắc thể rất mỏng manh, dễ bị đứt trong quá trình

di chuyển ( quá trình này cần từ 100 đến 120 phút cho một sự

truyền dẫn hoàn toàn), cho nên sự tiếp hợp rất ít khi được diển ra hoàn tất Kết quả là nhiễm sắc thể chỉ được truyền đi một

phần, và yếu tố F thường không được di chuyển sang vi khuẩn F-,

tế bào F- không biến thành F+ Hiện tượng tiếp hợp này xảy ra với tần số cao.

 Hfr x Hfr và

F- 3 Vi khuẩn F’: trong vi khuẩn Hfr, yếu tố F có thể tách ra khỏi hệ gen của nhiễm sắc thể và trở thành vi khuẩn F+ Trường hợp trong khi tách, yếu tố F lại mang theo cả một đoạn ADN của

nhiễm sắc thể tại vi trí nó gắn vào, khi đó nó được gọi là yếu tố F’ và vi khuẩn có yếu tố F’ gọi là vi khuẩn F’.Khi lai F’x F-, vi khuẩn F’ có khả năng vừa truyền được một phần ADN của nhiễm sắc thể , vừa truyền được yếu tố giới tính F cho vi khuẩn F- và biến vi

khuẩn F- thành F’ Hiện tượng này giống như hiện tượng tải nạp do virus nên còn được gọi là hiện tượng giới nạp

 F’ x F- 2F’

*Cơ chế quá trình

tiếp hợp

 Việc truyền yếu tố F từ một vi khuẩn F+ sang một vi

khuẩn F- đòi hỏi một sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế

bào Khi nuôi chung với vi khuẩn F-, các vi khuẩn F+ sẽ có các phản ứng của giới tính đực làø kéo dài pili sinh dục

của mình và sẽ bám vào một điểm nhận trên tế bào vi khuẩn nhận, sau đó sẽ co lại để kéo tế bào nhận lại gần Giai đoạn tiếp theo là làm tan vách tế bào của vi khuẩn

nhận và truyền ADN của mình vào tế bào nhận, Hiện

tượng tái tổ hợp sẽ xảy ra sau đó.

 Cách truyền vật chất di truyền từ vi khuẩn đực sang

vi khuẩn cái được làm sáng tỏ do những công trình của

Wollman và Jacob (1958 - 1960).Quá trình truyền vật chất di

truyền trong tiếp hợp diễn ra theo các giai đoạn sau :

 - Giai đoạn 1: là sự tiếp xúc ngẫu nhiên xuất hiện vài phút sau khi trộn vi khuẩn với nhau Xác xuất của sự tiếp xúc phụ thuộc vào nồng độ của 2 nòi vi khuẩn

 - Giai đoạn 2 : là sự bắt cặp giữa tế bào nhận và tế bào cho Tế bào nhận đóng vai trò thụ động, màng tế bào của nó bị hoà tan tại chỗ tiếp xúc với pili sinh dục củ vi khuẩn đực , tạo thành những cầu nguyên sinh chất có

đường kính 10 - 30 m Quá trình này phụ thuộc vào pH , điều kiện dinh dưỡng trong môi trường

 - Giai đoạn 3: là giai đoạn mà các ADN của tế bào cho được chuyển sang tế bào nhận theo cấu trúc thẳng Số

lượng gen chuyển sang phụ thuộc vào thời gian tiếp hợp.

 - Giai đoạn 4: là quá trình tái tổ hợp giữa các nhiễm

sắc thể của thể nhận và đoạn chất di truyền của thể cho.