Bài giảng: Vi sinh vật

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Tóm tắt: Chương Mở đầu với thời lượng 2 tiết trình bày trong 14 trang với các hình ảnh minh họa nhằm thể hiện các vấn đề chính sau: 1. Đối tượng và nhiệm vụ của vi sinh vật học đại cương: Đối tượng của vi sinh vật học học đại cương là vi khuẩn, virus, nấm men, nấm mốc tảo và protozoa. Vi sinh vật phân bố rộng rãi trong tự nhiên và ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của con người và mọi sinh vật khác. 2. Lịch sử phát triển của vi sinh vật học: Lịch sử nghiên cứu về vi sinh vật được thể hiện qua 4 giai đoạn: trước khi phát minh ra kính hiển vi, kính hiển vi ra đời, Pasteur với các thực nghiệm, giai đoạn sau Pasteur và sinh học hiện đại. Ngày nay con người đã có thể có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vi sinh vật nhờ sự phát triển của sinh học phân tử và các kỹ thuật di truyền hiện đại. 3. Các đặc điểm chung của vi sinh vật: Bao gồm 5 đặc điểm chính tạo ra sự khác biệt với các sinh vật khác trong sinh giới cũng như vai trò của chúng trong tự nhiên và trong đời sống con người. 4. Vị trí của vi sinh vật trong sinh giới và hệ thống phân loại: Vị trí của vi sinh vật trong sinh giới theo hệ thống phân loại của Trần Thế Tương. Cách phân loại vi sinh vật. 5. Vai trò của vi sinh vật: Vai trò có lợi và có hại của vi sinh vật đối với nền kinh tế quốc dân và trong tự nhiên. 1. Đối tượng và nhiệm vụ của vi sinh vật học 1.1. Đối tượng của vi sinh vật học đại cương Xung quanh chúng ta, ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được, còn có vô vàn vi sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi, người ta gọi chúng là vi sinh vật. Môn khoa học nghiên cứu về hoạt động sống của các vi sinh vật được gọi là Vi sinh vật học. Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: virus, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc, vi khuẩn lam, tảo… Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên: trong đất, trong nước, trong không khí, trong cơ thể các vi sinh vật khác và trong cả các loại lương thực, thực phẩm, các hàng hóa khác… Đối tượng nghiên cứu của vi sinh vật học là vi khuẩn, xạ khuẩn (Actinomycetes), virus, thể thực khuẩn (Bacteriophage), nấm, tảo, nguyên sinh động vật. Vi khuẩn: là nhóm vi sinh vật có nhân nguyên thủy, cơ thể đơn bào, sinh sản chủ yếu bằng hình thức trực phân, cơ thể nhỏ bé, muốn quan sát được phải sử dụng kính hiển vi quang học. Virus: là những sinh vật mà kích thước của chúng vô cùng nhỏ bé, ký sinh nội bào tuyệt đối, muốn quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi điện tử. Nấm: trước đây được coi là thực vật bậc thấp nhưng không có diệp lục tố, thường đơn bào, có nhóm giả đa bào, cơ thể phân nhiều nhánh nhưng không có vách ngăn hoặc vách ngăn nhưng chính giữa có lỗ thông, thuộc tế bào nhân thật. Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tương đối đơn giản nhưng chúng có tốc độ sinh sôi nẩy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi chất vô cùng mạnh mẽ. Vi sinh vật có thể phân giải hầu hết tất cả các loại chất có trên thế giới, kể cả những chất rất khó phân giải, hoặc những chất gây hại đến nhóm sinh vật khác. Bên cạnh khả năng phân giải, vi sinh vật còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp, trong điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường. Vi sinh vật học đại cương, nghiên cứu những quy luật chung nhất về vi sinh vật. Vi sinh vật học phát triển rất nhanh và đã dẫn đến việc hình thành các lĩnh vực khác nhau: vi khuẩn học (Bacteriology), nấm học (Mycology), tảo học (Algology) virus học (Virolory),... Việc phân chia các lĩnh vực còn có thể dựa vào phương hướng ứng dụng. Do đó chúng ta thấy hiện nay còn có y sinh vi sinh vật học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật công nghiệp, vi sinh vật học nông nghiệp. Ngay trong vi sinh vật học nông nghiệp cũng có rất nhiều chuyên ngành: vi sinh vật lương thực, vi sinh vật thực phẩm,... Mỗi lĩnh vực có đối tượng cụ thể riêng cần đi sâu. Tuy nhiên ở mức độ nhất định các chuyên ngành trên đều có những điểm cơ bản giống nhau. 1.2. Nhiệm vụ của vi sinh vật học đại cương. Nghiên cứu các đặc điểm cơ bản về hình thái, cấu tạo, di truyền, hoạt động sinh lý hóa học,...của các nhóm vi sinh vật. Sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên và mối quan hệ giữa chúng với môi trường và các sinh vật khác. Nghiên cứu các biện pháp thích hợp để có thể sử dụng một cách có hiệu quả nhất vi sinh vật có lợi cũng như các biện pháp tích cực nhằm ngăn ngừa các vi sinh vật có hại trong mọi hoạt động của đời sống con người. 2. Lịch sử phát triển vi sinh vật học Căn cứ vào quá trình phát triển có thể chia vi sinh vật học ra làm 4 giai đoạn phát triển. 2.1. Giai đoạn trước khi phát minh ra kính hiển vi Từ thời thượng cổ người ta đã biết ủ phân, trồng xen cây họ đậu với cây trồng khác, ủ men, nấu rượu,... nhưng chưa giải thích được bản chất của các biện pháp. Trong quá trình định canh con người đã thấy được tác hại của bệnh cây. Đối với bệnh rỉ sắt ở thời Aristote người ta xem như là do tạo hóa gây ra. Ở Hy Lạp bấy giờ người ta cho rằng cây bị bệnh là do đất xấu, phân xấu, gây ra khí hậu không ôn hoà nhưng chủ yếu là do trời đất. Trung Quốc vào thế kỷ thứ nhất trước công nguyên trong quyển Ký thắng Chi thư đã ghi: muốn cho cây tốt phải dùng phân tằm, không có phân tằm thì dùng phân tằm lẫn tạp cũng được. Trong sách này cũng đã ghi nhận trồng xen cây họ đậu với các loại cây trồng khác. Trong các tài liệu Giáp cốt của Trung Quốc cách đây 4000 năm đã thấy đề cập đến kỹ thuật nấu rượu. Người ta nhận thấy trong quá trình lên men rượu có sự tham gia của mốc vàng, như vậy vi sinh vật đã được ứng dụng vào sản

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Tóm tắt: Chương Mở đầu với thời lượng tiết trình bày 14 trang với hình ảnh minh họa nhằm thể vấn đề sau: Đối tượng nhiệm vụ vi sinh vật học đại cương: Đối tượng vi sinh vật học học đại cương vi khuẩn, virus, nấm men, nấm mốc tảo protozoa Vi sinh vật phân bố rộng rãi tự nhiên ảnh hưởng lớn đến đời sống người sinh vật khác Lịch sử phát triển vi sinh vật học: Lịch sử nghiên cứu vi sinh vật thể qua giai đoạn: trước phát minh kính hiển vi, kính hiển vi đời, Pasteur với thực nghiệm, giai đoạn sau Pasteur sinh học đại Ngày người có nhiều nghiên cứu chuyên sâu vi sinh vật nhờ phát triển sinh học phân tử kỹ thuật di truyền đại Các đặc điểm chung vi sinh vật: Bao gồm đặc điểm tạo khác biệt với sinh vật khác sinh giới vai trò chúng tự nhiên đời sống người Vị trí vi sinh vật sinh giới hệ thống phân loại: Vị trí vi sinh vật sinh giới theo hệ thống phân loại Trần Thế Tương Cách phân loại vi sinh vật Vai trò vi sinh vật: Vai trò có lợi có hại vi sinh vật kinh tế quốc dân tự nhiên Đối tượng nhiệm vụ vi sinh vật học 1.1 Đối tượng vi sinh vật học đại cương Xung quanh chúng ta, sinh vật lớn mà nhìn thấy được, cịn có vơ vàn vi sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải sử dụng kính hiển vi, người ta gọi chúng vi sinh vật Môn khoa học nghiên cứu hoạt động sống vi sinh vật gọi Vi sinh vật học Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: virus, vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc, vi khuẩn lam, tảo… Chúng phân bố rộng rãi tự nhiên: đất, nước, khơng khí, thể vi sinh vật khác loại lương thực, thực phẩm, hàng hóa khác… Đối tượng nghiên cứu vi sinh vật học vi khuẩn, xạ khuẩn (Actinomycetes), virus, thể thực khuẩn (Bacteriophage), nấm, tảo, nguyên sinh động vật Vi khuẩn: nhóm vi sinh vật có nhân nguyên thủy, thể đơn bào, sinh sản chủ yếu hình thức trực phân, thể nhỏ bé, muốn quan sát phải sử dụng kính hiển vi quang học Virus: sinh vật mà kích thước chúng vô nhỏ bé, ký sinh nội bào tuyệt đối, muốn quan sát chúng phải sử dụng kính hiển vi điện tử Nấm: trước coi thực vật bậc thấp khơng có diệp lục tố, thường đơn bào, có nhóm giả đa bào, thể phân nhiều nhánh khơng có vách ngăn vách ngăn có lỗ thơng, thuộc tế bào nhân thật Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé có cấu trúc thể tương đối đơn giản chúng có tốc độ sinh sơi nẩy nở nhanh chóng hoạt động trao đổi chất vơ mạnh mẽ Vi sinh vật phân giải hầu hết tất loại chất có giới, kể chất khó phân giải, chất gây hại đến nhóm sinh vật khác Bên cạnh khả phân giải, vi sinh vật cịn có khả tổng hợp nhiều hợp chất hữu phức tạp, điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường Vi sinh vật học đại cương, nghiên cứu quy luật chung vi sinh vật Vi sinh vật học phát triển nhanh dẫn đến việc hình thành lĩnh vực khác nhau: vi khuẩn học (Bacteriology), nấm học (Mycology), tảo học (Algology) virus học (Virolory), Việc phân chia lĩnh vực cịn dựa vào phương hướng ứng dụng Do thấy cịn có y sinh vi sinh vật học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật công nghiệp, vi sinh vật học nông nghiệp Ngay vi sinh vật học nơng nghiệp có nhiều chun ngành: vi sinh vật lương thực, vi sinh vật thực phẩm, Mỗi lĩnh vực có đối tượng cụ thể riêng cần sâu Tuy nhiên mức độ định chuyên ngành có điểm giống 1.2 Nhiệm vụ vi sinh vật học đại cương - Nghiên cứu đặc điểm hình thái, cấu tạo, di truyền, hoạt động sinh lý hóa học, nhóm vi sinh vật - Sự phân bố vi sinh vật tự nhiên mối quan hệ chúng với môi trường sinh vật khác - Nghiên cứu biện pháp thích hợp để sử dụng cách có hiệu vi sinh vật có lợi biện pháp tích cực nhằm ngăn ngừa vi sinh vật có hại hoạt động đời sống người 2 Lịch sử phát triển vi sinh vật học Căn vào trình phát triển chia vi sinh vật học làm giai đoạn phát triển 2.1 Giai đoạn trước phát minh kính hiển vi Từ thời thượng cổ người ta biết ủ phân, trồng xen họ đậu với trồng khác, ủ men, nấu rượu, chưa giải thích chất biện pháp Trong trình định canh người thấy tác hại bệnh Đối với bệnh ''rỉ sắt'' thời Aristote người ta xem tạo hóa gây Ở Hy Lạp người ta cho bị bệnh đất xấu, phân xấu, gây khí hậu khơng ơn hồ chủ yếu trời đất Trung Quốc vào kỷ thứ trước công nguyên ''Ký thắng Chi thư'' ghi: muốn cho tốt phải dùng phân tằm, khơng có phân tằm dùng phân tằm lẫn tạp Trong sách ghi nhận trồng xen họ đậu với loại trồng khác Trong tài liệu ''Giáp cốt'' Trung Quốc cách 4000 năm thấy đề cập đến kỹ thuật nấu rượu Người ta nhận thấy trình lên men rượu có tham gia mốc vàng, vi sinh vật ứng dụng vào sản xuất, phục vụ sống từ lâu, người ta chưa hiểu chất vi sinh vật, đến kính hiển vi quang học đời, hiểu biết vi sinh vật phát triển, mở trước mắt nhân loại giới mới, giới vi sinh vật vô nhỏ bé vô phong phú 2.2 Giai đoạn sau phát minh kính hiển vi (Phát vi sinh vật) Leewenhoek người phát vi sinh vật nhờ phát minh kính hiển vi, Ơng thương nhân bn vải, muốn tìm hiểu cấu trúc sợi vải ông chế tạo thấu kính lắp ráp chúng thành kính hiển vi có độ phóng đại 160 lần, Ông quan sát nước ao tù, nước ngâm chất hữu cơ, bựa răng, Leewenhoek nhận thấy đâu có sinh vật nhỏ bé Rất ngạc nhiên trước tượng quan sát ông viết ''Tôi thấy bựa miệng tơi có nhiều sinh vật tý hon hoạt động, chúng nhiều so với vương quốc Hà Lan hợp nhất'' Phát minh Leewenhoek củng cố quan niệm khả tự hình thành vi sinh vật Thời gian người ta cho sinh vật quan sát từ vật vô sinh, thịt, cá sinh dịi sau người ta cho đời thuyết tự sinh (hay thuyết ngẫu sinh) A B A- Kính hiển vi nhân loại B- Bình cổ ngỗng mà Pasteur đánh đổ học thuyết tự sinh 2.3 Giai đoạn vi sinh vật học thực nghiệm với Pasteur Đến kỷ XIX với phát triển chủ nghĩa tư bản, ngành khoa học kỹ thuật nói chung vi sinh vật học nói riêng phát triển mạnh mẽ, nhiều nhà khoa học quan sát nghiên cứu số vi sinh vật gây bệnh sáng tạo số phương pháp để nghiên cứu vi sinh vật Đóng góp cho phát triển vi sinh vật giai đoạn phải kể đến nhà bác học người Pháp Pasteur (1822-1895) Với cơng trình nghiên cứu ơng đánh đổ học thuyết tự sinh, nhờ chế tạo bình cổ ngỗng Ơng chứng minh thuyết tự sinh khơng thí nghiệm sau: Thí nghiệm 1: Dùng bình chứa nước thịt đun sôi, để nguội sau thời gian nước thịt đục, quan sát thấy có vi sinh vật Thí nghiệm 2: Tiến hành thí nghiệm thứ sau ơng bịt kín miệng bình lại, để thời gian nước thịt không bị vẩn đục Lúc người phản đối, họ nói khơng có khơng khí nên vi sinh vật khơng phát triển được, chưa thuyết phục họ ơng làm thí nghiệm Thí nghiệm 3: Ơng uốn cổ bình giống hình cổ ngỗng kéo dài cho thơng với khơng khí, sau đun sơi để thời gian nước thịt khơng bị đục, người ta cơng nhận bác bỏ thuyết tự sinh Pasteur người đề xuất thuyết mầm bệnh, thuyết miễn dịch học, sở để sản xuất vaccin phịng bệnh Ơng chứng minh bệnh than cừu vi khuẩn gây lan truyền từ bệnh sang lành ơng tiến hành thí nghiệm tiêm phịng vaccin nhiệt thán cho cừu năm 1881, ơng chọn 50 cừu khỏe mạnh, tương đồng, tiêm vaccin cho 25 cịn 25 khơng tiêm vaccin, sau cường độc 25 khơng tiêm vaccin bị chết cịn 25 tiêm vaccin sống bình thường Thời bị chó dại cắn phải chết, thương tâm trước chết người bị chó dại cắn, ơng lao vào nghiên cứu vaccin phịng trị bệnh chó dại, thành cơng cứu bé trai thoát khỏi phát bệnh dại Sau thành cơng nhà hảo tâm xây dựng viện Pasteur pháp, sau nhân rộng ra, thành công lớn Pasteur nhân loại L Pasteur tốt nghiệp sinh hóa, ơng thành cơng nghiên cứu gia đình ơng bất hạnh, anh trai ông chết bệnh tật Mặc dầu L Pasteur người chứng minh sở khoa học việc chế tạo vaccin thuật ngữ vaccin lại bác sĩ nông thôn người anh Edward Jenner (1749-1823) đặt Ông người nghĩ phương pháp chủng đậu mủ đậu mùa bò cho người lành, để phòng bệnh đậu mùa, bệnh nguy hiểm cho tính mạng thời 2.4 Giai đoạn sau Pasteur vi sinh học đại Tiếp theo sau Pasteur Koch (Robert Koch 1843-1910), người có cơng việc phát triển phương pháp nghiên cứu vi sinh vật Ông đề phương pháp chứng minh vi sinh vật nguyên nhân gây bệnh truyền nhiễm mà ngày nhà nghiên cứu bệnh học phải theo gọi quy tắc Koch Ngày 24-3-1882, Koch cơng bố cơng trình khám phá vi trùng gây bệnh lao gọi Mycobacterium tuberculosis, bệnh nan y thời Khám phá mở đường cho việc chữa trị bệnh ngày Kế học trị Koch Petri (Juliyes Richard Petri, 1852-1921) chế dụng cụ nghiên cứu vi sinh vật mà ngày cịn dùng tên ơng để đặt cho dụng cụ ấy: đĩa Petri Ông nêu biện pháp nhuộm màu vi sinh vật Ivanopxki, 1892 Beijerrinck, 1896 người phát virus giới chứng minh vi sinh vật nhỏ vi khuẩn, qua lọc sứ xốp, nguyên nhân gây bệnh khảm thuốc Ngày vi sinh vật phát triển sâu với hàng trăm nhà bác học có tên tuổi hàng chục ngàn người tham gia nghiên cứu, nghiên cứu sâu vào chất sống mức độ phân tử phân tử, sâu vào kỹ thuật cấy mô tháo lắp gen vi sinh vật ứng dụng kỹ thuật tháo lắp để chữa bệnh cho người, gia súc, trồng sâu vào để giải bệnh ung thư loài người Anton van Leewenhoek (1632 – 1723) Louis Pasteur (1822-1895) Robert Koch (1843-1910) Alexander Fleming (1881-1955) Watson and Crick (1953) phát cấu trúc DNA Klug (1982) phát cấu trúc Virus khảm thuốc (TMV) Đặc điểm chung vi sinh vật 3.1 Kích thước nhỏ bé Mắt người khó thấy rõ vật nhỏ 1mm Vậy mà vi sinh vật thường đo micromet (µm), virus thường đo nanomet (nm) µm = 10-3mm; 1nm = 10-6mm Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé diện tích bề mặt quần thể vi sinh lớn Chẳng hạn số lượng cầu khuẩn chiếm thể thích 1cm3 có diện tích bề mặt 6m2 3.2 Hấp thụ nhiều, chuyển hóa nhanh Vi sinh vật nhỏ bé sinh giới lực hấp thu chuyển hóa chúng vượt xa sinh vật bậc cao Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) phân giải lượng đường lactose nặng 1000 – 10.000 lần khối lượng chúng Nếu tính số µl O2 mà mg chất khô thể sinh vật tiêu hao mơ mơ rễ thực vật 0,5-4, tổ chức gan thận động vật 10-20, nấm men rượu (Saccharomyces cerevisiae) 110, vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas 1200, vi khuẩn thuộc chi Azotobacter 2000 Năng lực chuyển hóa mạnh mẽ vi sinh vật dẫn đén tác dụng lớn lao chúng tự nhiên, hoạt động sống người 3.3 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh So với sinh vật khác vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng sinh sôi nảy nở lớn Vi khuẩn Escherichia coli điều kiện thích hợp 12-20 phút lại phân cắt lần Nếu lấy thời gian hệ (g) 20 phút phân cắt lần, 24 phân cắt 72 lần, từ tế bào ban đầu sinh 72 tế bào Tất nhiên thực tế tạo điều kiện sinh trưởng lý tưởng số lượng vi khuẩn thu 1ml dịch nuôi cấy thường đạt tới mức độ 108-109 tế bào Thời gian hệ nấm men Saccharomyces cerevisiae 120 phút Khi nuôi cấy để thu nhận sinh khối giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổ hợp nấm men vao bò tới 100.000 lần Thời gian hệ tảo Chlorella giờ, vi khuẩn lam Nostoc 23 3.4 Năng lực thích ứng mạnh dễ phát sinh biến dị Năng lực thích ứng vi sinh vật vượt xa so với động vật thực vật Trong q trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật tạo cho chế điều hóa trao đổi chất để thích ứng với điều kiện sống bất lợi Người ta nhận thấy số lượng enzyme thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein tế bào vi sinh vật Sự thích ứng vi sinh vật nhiều vượt trí tưởng tượng người Phần lớn vi sinh vật giữ nghiên sức sống nhiệt độ nitơ lỏng (-196oC) Một số vi sinh vật sinh trưởng nhiệt độ 250oC, trí 300oC Một số vi sinh vật thích nghi với nồng độ 32% NaCl Vi khuẩn Thiobacillus thioxidans có thẻ sinh trưởng pH=0,5 vi khuẩn Thiobacillus denitricans sinh trưởng pH=10,7 Vi khuẩn Micrococcus radiodurans chịu cường độ xạ lên tới 750.000 rad Ở nơi sâu đại dương thấy có vi sinh vật sinh sống Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxy (vi sinh vật kỵ khí bắt buộc) Vi sinh vật dễ phát sinh biến dị thường đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với mơi trường sống Hình thức biến dị thường gặp đột biến gen dẫn đến thay đổi hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nghuyên, tính đề kháng… Chẳng hạn tìm thấy khả sinh chất kháng sinh nấm sợi Penicilium chrysogenum người ta đạt tới sản lượng 20 đơn vị penicilin 1ml dịch lên men Ngày nhà máy sản xuất penicilin người ta đạt suất lên tới 100.000 đơn vị ml dịch lên men Bên cạnh biến dị có lợi, vi sinh vật thường sinh biến dị có hại nhân loại, chẳng hạn biến dị tính kháng thuốc Năm 1946 tỷ lệ chủng Staphylococcus aureus kháng thuốc phân lập bệnh viện khoáng 14%, năm 1996 tăng lên đến 97% Người ta tiêm cho bệnh nhân ngày khoáng 100.000 đơn vị penicilin, ngày có lúc phải tiêm đến 10.000.000 – 200.000.000 đơn vị 3.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật phân bố khắp nơi trái đất Chúng có mặt thể người, động vật, thực vật, đất, nước, không khí, đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm đến nước biển Trong đường ruột người thường có khơng 100 loài vi sinh vật khác Chiếm số lượng cao đường ruột người vi khuẩn Bacteroides fragilis Ở độ sâu 10.000m Đơng Thái Bình Dương, nơi hồn tồn tối tăm, lạnh lẽo có áp suất cao người ta phát thấy có khồng triệu vi khuẩn/ml (chủ yếu vi khuẩn lưu huỳnh) Ở độ cao tới 84km không khí người ta cịn phát thấy có vi sinh vật Về chủng loại toàn giới Động vật có khoảng 1,5 triệu lồi Thực vật có khoảng 0,5 triệu lồi Vi sinh vật có tới 100 nghìn lồi bao gồm 30 nghìn lồi động vật ngun sinh, 69 nghìn lồi nấm; 23 nghìn lồi vi tảo; 2,5 nghìn lồi vi khuẩn lam; 1,5 nghìn lồi vi khuẩn; 1,5 nghìn lồi virus ricketxi Vị trí vi sinh vật sinh giới Việc phân loại nhóm vi sinh vật mở đầu nhà khoa học Thủy Điển Linneaus (1707-1778) Thực trước cịn phải kể đến đề xuất nhà tự nhiên học người Anh tên J Ray (1628-1705) Linneaus người đề xướng việc sử dụng tiếng Latinh để thống gọi tên loài Tên loài gồm hai chữ: chữ đầu (viết hoa) để tên chi (genus), chữ sau (viết thường) để tên loài (species) Linneaus chia giới sinh vật thành giới: giới thực vật giới động vật Năm 1979 nhà sinh học lão thành Trung Quốc Trần Thế Tương (19051988) đưa kiến nghị hệ thống phân loại giới nhóm giới sinh vật sau: I Nhóm giới Sinh vật phi bào Giới virus II Nhóm giới Sinh vật nhân nguyên thủy Giới vi khuẩn Giới vi khuẩn lam III Nhóm giới Sinh vật nhân thật Giới thực vật Giới nấm Giới động vật Năm 1980 Woese đưa hệ thống phân loại có lính vực Sinh vật nhân thật (Eukaryote); vi khuẩn (Bacteria) cổ khuẩn (Archae) Hệ thống phân loại Woese Phân loại vi sinh vật 10 Ngày tượng chuyển nạp ứng dụng nhiều sinh học phân tử, đặc biệt trình đưa vectơ tái tổ hợp vào tế bào vi khuẩn E coli tượng chuyển nạp giúp gắn kết đoạn gen vào tế bào vi khuẩn để từ phát tính chất đoạn gen Nhờ tượng chuyển nạp nên phát chất tượng kháng kháng sinh vi khuẩn 2.2 Tải nạp Tải nạp truyền mảnh nhỏ nguyên liệu di truyền, từ vi khuẩn vi khuẩn nhận qua vài trung gian phage vi khuẩn (thực khuẩn thể: Bacteriophage) gọi phage vectơ phage tải nạp Muốn hiểu tượng cần phải biết chất chu kỳ nhân lên phage vi khuẩn trình sinh tan, hồn tồn khác q trình tải nạp có kết hợp với 2.2.1 Khái niệm phage vi khuẩn vi khuẩn sinh tan Phage vi khuẩn phage mảnh có tính chất virus mức độ phân hóa sâu sắc hơn, hịa tan vi khuẩn Phage phân bố rộng rãi tự nhiên, nước cống, ruột, phân nơi có vi khuẩn sinh sơi nẩy nở Phage độc hay phage hoạt động, có khả hịa tan nhanh chóng vi khuẩn non sống Chúng hấp phụ bề mặt vi khuẩn cách đặc hiệu Có thể quan sát dung giải vi khuẩn môi trường lỏng, cách cho hỗn dịch phage đặc hiệu vào canh khuẩn nước thịt dinh dưỡng ủ vài Môi trường trở nên sáng hồn tồn Trên mơi trường đặc, dung giải phage biểu hiện: có vùng nhỏ sáng, vệt vô khuẩn, chứa triệu mảnh phage * Phage độc- chu kỳ dung giải Những phage độc phage T2, T3, T4, T5 phá hủy nhanh chóng cấu trúc nhiễm sắc thể, ADN chúng thâm nhập vào tế bào vi khuẩn, vỏ bọc protein chúng độc cho vi khuẩn Trộn phage tỷ lệ thích hợp với lượng canh khuẩn nước thịt non, cấy vi khuẩn cảm ứng điều kiện định chúng phát triển cho chu kỳ dung giải hồn tồn, bao gồm hình thành hàng trăm mảnh phage mới, dẫn tới dung giải tất vi khuẩn mà chúng gây nhiễm 150 Chu kỳ dung giải gồm giai đoạn sau a- Sự hấp thụ (đặc hiệu) phage thành vi khuẩn qua đầu mút đuôi Sự hấp thụ tiến hành có điều kiện thuận lợi mơi trường, có số yếu tố cần thiết acid amine, b- Sự xâm nhập phage vào vi khuẩn theo chế sau Lovop (A Lwoff) Sau trình hấp thụ, endolizim đầu mút đuôi phage, xuất dãy trùng hợp mucopolysaccharit thành vi khuẩn Những sản phẩm thủy phân mucopolysaccharit khởi động co giãn ống cấu tạo loại protein co giản gần miozin (mỗi phage có 110 phân tử ATP) Ống chọc thủng màng vi khuẩn xâm nhập vào bào tương ADN truyền qua ống thâm nhập vào vi khuẩn, màng virion tồn bên ngồi khơng đóng vai trị nhân lên phage Phage mang thông tin di truyền đến nhiễm sắc thể vi khuẩn, làm đứt phá hủy nhiễm sắc thể vi khuẩn, làm sai lệch chuyển hóa tế bào vi khuẩn hướng tế bào vào tổng hợp ADN protein thuộc thân phage Phage khơng có hệ thống enzyme lượng vật ký sinh bắt buộc tế bào chủ c- Thời kỳ sinh dưỡng: thời kỳ nhân lên phage, gồm có hai giai đoạn: - Giai đoạn (biến mất) Trong vài phút đầu thời kỳ sinh dưỡng, vi khuẩn không chứa virion (lõi ADN phage), người ta lấy lizozim để phá vỡ màng tế bào vi khuẩn thấy dịch dung giải khơng chứa mảnh ADN gây nhiễm Khi phage bắt đầu nhiễm vào, vi khuẩn ngừng sinh trưởng, tổng hợp ADN vi khuẩn ngừng lại Sau nhiễm phage 2-3 phút, nhiễm sắc thể vi khuẩn bị deoxyribonuclease làm tan rã Thông tin di truyền vi khuẩn bị phá hủy Những acid nucleic phage không bị phá hủy chứng tỏ chúng có sai khác khác với acid nucleic vi khuẩn Tỷ lệ = 0,55 ADN phage T2 (5'H- 5-Hydroximetylxitozin bazơ khơng bình thường virus dọc mã tổng hợp nên tương ứng Cytosin) Trái lại tỷ lệ = ADN E coli 151 Người ta thấy phân tử thứ tổng hợp hệ thống vi khuẩn- phage ARN type phage có tỷ lệ = 0,55 khơng phải -Giai đoạn hình thành virion: đến phút thứ 12 sau xâm nhập, sợi ADN phage tổng hợp ngưng tụ lại Protein phage xếp xung quanh sợi ADN này, làm hình thành mảnh virus thành thục, vi khuẩn trở thành túi nhỏ chứa 1-2g phage thành thục Phage tiết endolizin phá hủy thành tế bào d- Sự dung giải vi khuẩn: phá hủy thành tế bào làm cho vi khuẩn vỡ bị dung giải, phage giải phóng gây nhiễm vi khuẩn khác Phage độc giết tất vi khuẩn mà chúng nhiễm vào - Sự ký sinh bắt buộc phage: phage hồn tồn khơng có thông tin di truyền cho tổng hợp hệ thống enzyme cần thiết cho cung cấp lượng Nó khơng có thơng tin di truyền với enzyme cần thiết cho tổng hợp chất chuyển hóa chủ yếu Như phải sử dụng lượng chất chuyển hóa chủ yếu vật chủ, hệ thống enzyme tồn tiếp tục hoạt động sau bị nhiễm phage, gen vật chủ cần thiết cho tổng hợp đại phân tử protein bị phá hủy Như vi khuẩn sinh sản protein vi khuẩn nữa: hệ thống vi khuẩn phage sinh sản nguyên liệu phage Người ta thấy phage tất virus vật ký sinh nội bào Như tải nạp đóng vai trị trong: - Lan truyền độc tính - Lan truyền kháng nguyên thân - Nâng cao khả tổng hợp chất, yếu tố sinh trưởng * Phage ơn hịa-sự sinh tan Một phage ''ơn hịa'' khơng có đủ hoạt lực để làm dung giải tất vi khuẩn trộn với mảnh phage Một số vi khuẩn sống sót, tác động phage ơn hịa trở thành vi khuẩn sinh tan Nhóm phage gồm có phage P1 P2 nhiễm vào vi khuẩn E coli, Shigella dysenteriae, phage P22 Salmonella typhi murium, phage λ E coli K12 Như vi khuẩn sinh tan có truyền cho hệ khả sinh sản 152 phage khơng có tượng gây nhiễm Một vi khuẩn sinh tan chứa phage Quá trình sinh tan - Tiền phage: trình sinh tan, ADN phage đoạn lại tái tổ hợp vào vùng đặc hiệu NST vi khuẩn Sau hấp thụ vi khuẩn, tự lại nhanh chóng phân tán vi khuẩn để theo chu kỳ dung giải, hệ gen phage lại tái tổ hợp vào NST vật chủ thâm nhập vào tồn dạng tiền phage vài phút sau xâm nhập Tiền phage (tiền thực khuẩn thể) thực khuẩn thể hoàn chỉnh mà genotype phage thành phần liên tục NST vi khuẩn Tiền phage lại (nhân đôi) lúc với NST vi khuẩn truyền sang tế bào nhiều hệ liên tiếp Những vi khuẩn tiếp thu đặc tính dung túng tiền phage NST chúng trì khả sản sinh phage cho hệ sau gọi sinh tan Phần lớn vi khuẩn sinh tan nhân lên khơng sản sinh phage tự trì tính sinh tan Chỉ có số sản sinh phage thành thục bị dung giải (102-106 cho hệ) Mỗi tiền phage có số trường hợp biến thành phage sinh dưỡng nhân lên vi khuẩn, sau giải phóng phage hồn tồn, cảm ứng tự phát mà thường phải có chất gây cảm ứng để tiền phage thành phage như: việc xử lý vi khuẩn sinh tan tác nhân gây đột biến hóa học vật lý (tia tử ngoại, tia X, ) Sự cảm ứng tiếp hợp hình thành hợp tử tế bào đực Hfr(λ)+ tế bào F-(λ)- Đó cảm ứng hợp tử * Hiện tượng tải nạp nhân tố tải nạp Trong tượng tải nạp, phage vi khuẩn đóng vai trị vectơ Nó chuyển ADN vào tế bào vi khuẩn Trong trình nhân lên tế bào vật chủ, phage nuốt mảnh nhỏ ADN tế bào vật chủ Do ảnh hưởng mảnh nhỏ gen phage nên hệ gen vi khuẩn có biến đổi đặc tính di truyền Hiện tượng tải nạp Zinder Lederberg phát năm 1952 nghiên cứu lai loài Salmonella Các tác giả dùng ống thủy tinh hình chữ U, có hai nhánh ngăn cách với lọc thủy tinh xốp Cho vào nhánh thứ canh khuẩn nước thịt cấy Salmonella (A) nhánh thứ hai canh khuẩn cấy Salmonella (B) 153 Vi khuẩn Salmonella (A) khơng bị đột biến mang ký hiệu 2A có genotype T (có khả tổng hợp Tryptophan) + Vi khuẩn Salmonella (B) đột biến mang ký hiệu 22A có genotype T(khơng có khả tổng hợp Tryptophan) Sau thời gian ủ chung, người ta mang vi khuẩn Salmonella (B) có genotip T-cấy mơi trường khơng có Triptophan Nếu mọc có nghĩa tự tổng hợp Triptopan genotype từ T - biến thành T+ Qua thời gian nuôi cấy tủ ấm người ta nhận thấy đĩa hộp lồng nuôi cấy Salmonella (B) 22A xuất khuẩn lạc Như có số tế bào 22A mang đặc điểm 2A Vậy nhân tố truyền đặc điểm 2A cho 22A? chúng không tiếp xúc với (màng lọc ngăn cách vi khuẩn) Người ta giả thiết đột biến tự nhiên, ta thấy đột biến tự nhiên Salmonella thường xẩy với tần số thấp (10 -9) mà tế bào có khả tổng hợp Triptophan xuất với tần số 10 -5( nghĩa 105 tế bào có tế bào có khả tổng hợp triptophan) cao so với đột biến tự nhiên 10.000 lần tượng đột biến Người ta lại giả thiết nhân tố nhân tố chuyển nạp Nhưng điều khơng ống hình chữ U người ta khơng tìm thấy đoạn ADN tự Vậy phải có vật trung gian thấm qua màng lọc vi khuẩn mang thơng tin di truyền nịi vi khuẩn truyền cho nịi vi khuẩn Đó nhân tố tải nạp Thực khuẩn thể ơn hịa PTL 22 (hay P22) có khả làm tan tế bào nịi 2A Sau lọt qua màng lọc thủy tinh, thực khuẩn thể làm tan tế bào nòi 2A giải phóng tác nhân FA, tác nhân lại thấm qua màng lọc Dưới ảnh hưởng FA số tế bào nòi 22A nhận tính chất di truyền đặc hiệu, đặc trưng cho nịi mà từ FA tiết 2.2.2 Các kiểu tải nạp Tải nạp tiến hành theo kiểu sau a, Tải nạp chung hay tải nạp không đặc hiệu 154 Là kiểu tải nạp phage tải nạp truyền tính trạng khác từ vi khuẩn sang vi khuẩn khác loài Như khả tổng hợp acid amin, đặc tính lên men, di động, đề kháng với chất kháng sinh, Phage tải nạp P22 Salmonella typhymurium có khả tải nạp tính trạng di truyền số nhiều tính trạng riêng lẻ hay liên kết mang chức khác Salmonella, ADN đính vào đoạn hệ gen vi khuẩn ADN vi khuẩn cho ADN phage tải nạp có trao đổi chéo ADN vi khuẩn cho liên kết tạm thời với ADN phage Tải nạp hoàn toàn: trường hợp tải nạp ADN vi khuẩn cho vào vi khuẩn nhận có liên kết chéo với đoạn ADN tương đương gắn hẳn vào hệ gen vi khuẩn nhận, ADN truyền cho hệ cháu, tải nạp hịan tồn Tải nạp hạn chế: trường hợp ADN vi khuẩn cho không gắn vào hệ gen vi khuẩn nhận nên khơng có chép ADN cịn tồn tế bào mà tất tế bào hệ cháu, tải nạp ngừng trệ chiếm tỷ lệ lớn trường hợp tải nạp: Tỷ lệ tải nạp ngừng trệ tải nạp hoàn toàn 10/1 Quá trình xâm nhập vào vi khuẩn sinh sản tóm tắt sau phage bám bề mặt tế bào vi khuẩn, sau phút bơm ADN vào tế bào , sau chúng sinh sản khonảg 30 phút sau làm tan vi khuẩn giải phóng phage Khi phage xâm nhập vào vi khuẩn A chúng cắt ADN vi khuẩn A thành nhiều đoạn, đồng thời ADN phage chép thành nhiều phân tử vỏ phage tạo thành Sau vỏ lắp ráp ruột ADN vào, phá vỡ tế bào vi khuẩn tiếp tục xâm nhập vi khuẩn Trong trình lắp rắp khoảng 1-2% phage vơ tình mang đoạn ADN vi khuẩn có chứa gen Phage mang gen vi khuẩn A xâm nhập vào vi khuẩn B, trình tái tổ hợp xẩy làm gen A gắn vào gen B b, Tải nạp đặc hiệu Đó tải nạp phage có khả tải nạp tính trạng di truyền, ADN phage tải nạp kết hợp với đoạn xác định hệ gen vi khuẩn Ví dụ: phage λ E coili K12, phage làm tan nòi dại E coli K12 nhân lên vi khuẩn dạng tiền phage, trừ tác nhân gây đột biến tia tử ngoại tác nhân cảm ứng, biến 155 đổi thành phage thành thục hoàn toàn cảm ứng sau dung giải vi khuẩn Đây phage đặc hiệu dính vào NST Tiền phage λ ln ln dính NST locus bên cạnh locus gal (galactose)- phage λ thành thục E coli gal (+) truyền cho nịi E coli gal (-) locus gal (+), nghĩa khả tổng hợp enzyme chuyển hóa galactoza Nó khơng có khả truyền tính trạng di truyền khác (khả tải nạp hạn chế hay tải nạp đặc hiệu) Hiện tượng giải thích phân tích di truyền vi khuẩn (E coli) gal(-) bị nhiễm phage tải nạp λ biến thành vi khuẩn gal(+) Hệ gen trở thành dị hợp tử gal(+), gal(-) hay đồng hợp tử hai vùng gal tương tự mặt di truyền học Một vi khuẩn tạm thời sông bội locus gal 2.2.3 Cơ chế chung tải nạp Từ nhân tố kiểu loại tải nạp, ta rút chế chung tải nạp sau: +Tải nạp trình truyền đoạn ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận nhờ phage +Phage vi khuẩn tiếp xúc với Phage phá vỡ tế bào vi khuẩn vào tế bào chất vi khuẩn, lấy cắp ADN vi khuẩn chui Đem ADN cho vi khuẩn thể nhận khác +Mỗi phage có đặc hiệu riêng với loại vi khuẩn +Đoạn ADN tế bào cho gắn lên ADN phage thông qua tượng trao đổi chéo Nghĩa ADN phage gắn lên hệ gen vi khuẩn xẩy tái tổ hợp đoạn gen vi khuẩn phần ADN phage 2.2.4 Ứng dụng trình tải nạp - Tải nạp giúp ích nhiều cho việc phân tích chất phức tạp vùng ADN mà người ta gọi gen, tức vùng riêng biệt kiểm sốt tính trạng (hay nói kiểm sốt việc hình thành enzyme) - Tải nạp phương pháp phân tích di truyền học có hai ưu điểm lớn sau: 156 + Phát tượng tượng tái tổ hợp xảy hai thể dị dưỡng không giống hệt nhau, chí trường hợp tải nạp thực với tần số thấp + Trong tải nạp ngừng trệ, có tính trạng giống trạng thái dị hợp tử sinh vật bậc cao, nghĩa tế bào, có gen giống hệt mang biến đổi khác 2.3 Giao nạp (tiếp hợp) Giao nạp vi khuẩn kết hợp thời hai tế bào có kiểu bắt cặp đối nhau, tiếp nối cách chuyển phần vật chất di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua cầu tế bào chất sau tế bào tách Kiểu chép sigma (σ) vi khuẩn sử dụng giao nạp để truyền phân tử ADN dạng thẳng sang tế bào khác Về thuật ngữ tài liệu cũ người ta dùng khái niệm “tiếp hợp” để trình này, song theo (Nguyễn Lộc - Trịnh Bá Hữu, 1975) dùng giao nạp tốt phản ảnh chất trình tránh nhầm lẫn với tiếp hợp nhiễm sắc thể 2.3.1 Chứng minh có tượng lai vi khuẩn Năm 1946, J.Lederberg E Tatum sử dụng dòng đột biến khuyết dưỡng khác E coli để chứng minh có tái tổ hợp dịng vi khuẩn khác Cụ thể dịng A có kiểu gen met-bio-thr+leu+thi+ (có khả tổng hợp threonin, leucine vitamin B1 (thiamin) khơng có khả tổng hợp methionin biotin) Cịn dạng B ngược lại có kiểu gen met+bio+thr-leuthi- (có khả tổng hợp methionin biotin khơng có khả tổng hợp threonin, leucine thiamin) Trộn A vào B ống nghiệm, sau cấy lên môi trường tối thiểu Các khuẩn lạc mọc mơi trường tối thiểu chứng tỏ có dạng lai, chúng mọc lên nhờ bù đắp cho nhu cầu dinh dưỡng Dạng lai có kiểu gen met+bio+thr+leu+thi+ dạng A dạng B riêng lẻ không mọc môi trường tối thiểu * Sự phân hóa giới tính Năm 1953, Hayes phát vi khuẩn có dạng khác tương tự giống đực giống sinh vật bậc cao Các dạng ký hiệu F + va F(fertility-hữu thụ) F+ tương tự giống đực sinh vật bậc cao, truyền gen sang F- Tần số lai F+ F- khoảng 10-6 tức lai triệu tế bào có tế bào lai 157 Tiếp hợp truyền ADN qua tiếp xúc trực tiếp hai tế bào vi khuẩn, truyền định hướng từ tế bào cho (đực) sang tế bào nhận (cái) * Episome plasmid Khi tiếp xúc với F+ thời gian, F- biến thành F+ Về sau dạng Hfr (Hight frequency of recombination) phát hiện, dạng có tần số lai với F - cao F+ lên đến 104 lần Khi tiếp xúc với F+ thời gian, F- biến thành F+ nhận phân tử di truyền gọi episome Episome F+ phân tử di truyền nhiễm sắc thể, tồn dạng phân tử ADN vòng tròn tự chép gắn vào phân tử ADN tế bào chủ (ví dụ phage λ) episome F+ coi nhân tố giới tính (sex factor) Plasmid: lúc đầu định nghĩa ADN vịng trịn nhỏ có khả chép độc lập với nhiễm sắc thể tế bào chủ khả gắn vào nhiễm sắc thể Plasmid mang số gen đề kháng thuốc (Plasmid R đề kháng nhiều thuốc kháng sinh), Hiện Plasmid dùng cho hai nghĩa episome lẫn Plasmid Các plasmid tồn độc lập gắn vào gen vi khuẩn Về sau người ta phát vi khuẩn cịn có nhiều Plasmid khác (Plasmid bám dính, Plasmid độc tính, ) * Nhân tố F/ Sự cắt rời nhân tố F từ nhiễm sắc thể dịng Hfr nhiều khơng xác lúc đoạn gen vi khuẩn thay phần F truowngf hợp nhân tố F/ tạo thành có khả chuyển gen vi khuẩn cách độc lập, với tính trạng tế bào cho Hiện tượng gọi tính nạp, nghĩa chuyển gen kèm theo nhân tố giới tính Nhờ tính nạp nhận thể lưỡng bội phần theo gen gắn vào F+ * Tái tổ hợp Muốn xẩy tái tổ hợp hai dịng vi khuẩn phải tiếp xúc với (F +x F-) (Hfr x F-) Dòng tế bào mang nhân tố F + coi tế bào đực có khả tạo protein pilin, từ protein tạo ống giao nạp gọi pillus Sự co lại pilus nối hai tế bào làm chúng tiến lại gần Tế bào F- gọi sau giao nạp tế bào F- biến thành F+ 158 Việc chuyển gen thực plasmid gắn vào gen vi khuẩn Trong trình chuyển vật chất di truyền sang F - ADN mạch chủ chép mạch có ori đầu F cuối Q trình chuyển ADN từ F+ sàng Fcó thể bị ngắt quảng Các gen chuyển chiều từ Hfr sang F- Các dịng Hfr có tần số lai cao nhiều plasmid nằm sẵn gen F+ phải qua giai đoạn plasmid gắn vào gen chuyển gen Trong điều kiện thí nghiệm 37 0C nguyên gen vi khuẩn E coli chuyển sang tế bào nhận vịng 90 phút Thường giao nạp bị ngắt chừng pilus bị gãy, nên gen chuyển nguyên vẹn vào tế bào nhận Lúc tế bào F- F3 Biến dị vi khuẩn 3.1 Sự thích nghi Vi sinh vật sinh vật khác, tất hệ sinh giống hoàn tàn bố mẹ, trái lại nhiều trường hợp hệ xuất đặc tính Ở vi sinh vật thường quan sát thấy tượng biến đổi kiểu trao đổi chất chuyển từ hô hấp yếm khí sang hiếu khí, từ sử dụng nguồn C vơ sang hữu cơ, Những biểu nêu thể thích nghi vi sinh vật ngoại cảnh, biến dị vi sinh vật Khả biến dị vi sinh vật lớn, hẳn nhiều so với sinh vật khác Sự thay đổi chúng ngoại hình bên ngồi mà thay đổi hoạt tính sinh lý tạo biến dị di truyền Nhưng biến dị có phải kết thích nghi? Lewis dùng phương pháp nghiên cứu tách riêng tế bào nhận thấy vi khuẩn E coli (bình thường khơng có khả lên men galactose) sau ni cấy mơi trường có nguồn C galactose xuất khả lên men đường biến đổi thích ứng tế bào quần thể tồn từ trước tế bào có khả lên men loại đường Sự xuất số tế bào có biến đổi sinh lý người ta gọi đột biến Theo lewis tỷ lệ đột biến dinh dưỡng E coli 1/100.000 Và nuôi cấy E coli mơi trường galactose tế bào đột biến phát triển nhanh tế bào khác bị tiêu diệt dần Galactose mơi trường đóng vai trị nhân tố chọn lọc, điều kiện tế bào phát triển thành tập đồn Như thích nghi dứt khốt thực xuất thể đột biến hầu hết thể đột biến cố định 159 Tuy chứng kiến có đặc tính tính hệ không di truyền gọi biến dị không di truyền 3.2 Các loại biến dị Có thễ xẩy hai loại biến dị biến dị kiểu hình (phenotyp) biến dị kiểu gen (genotyp) * Biến dị phenotyp Là biến dị tính trạng bên ngồi, tạm thời thuận nghịch khơng ổn định tồn quần thể vi sinh vật Biến dị xuất tác động nhân tố ngoại cảnh (môi trường, điều kiện nuôi cấy, ) Biến dị xuất chậm biến điều kiện tác động bị làbiến dị khơng di truyền Một số dạng điển hình biến dị phenotyp - Biến dị hình thái vi sinh vật : Hình thái vi sinh vật thay đổi ảnh hưởng yếu tố khác có liên quan đến tuổi tế bào điều kiện mơi trường, thấy biến dị kích thước tế bào thườg xẩy trình sinh trưởng oqr giai đoạn đầu tế bào thường to kích thước nhỏ điển hình giai đoạn sinh trưởng logarid Ngồi cịn thấy biến dị sinh bào tử số vi khuẩn Biến dị hình thái chịu ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh + Thành phần hóa học cấu tạo mơi mơi trường + Điều kiện nuôi cấy pH, nhiệt độ, áp suất, + Chất độc sát chất sát trùng, chất kháng sinh + Biến dị hình dạng khuẩn lạc Khuẩn lạc dòng tế bào khiết sinh từ tế bào Do tổn thường cấu trúc tế bào vi khuẩn tạo nên biến dạng khuẩn lạc, bình thường mơi trường đặc, vi khuẩn tạo thành hai dạng khuẩn lạc dạng S dạng R Những biến dị hình dạng khuẩn lạc phát triển môi trường đặc, từ vi khuẩn lồi (khuẩn lạc ướt, nhầy, bóng láng, nhám) coi biến dị gây ngoại cảnh Những tổn thương cấu trúc vi khuẩn, hình thành 160 khuẩn lạc riêng biệt Khi canh khuẩn khiết đem nuôi cấy môi trường đặc, xuất nhiều loại hình khuẩn lạc, thuộc hai dạng dạng S bóng láng dạng R nhám xù xì, hai dạng cịn có dạng trung gian khơng ổn định, số trường hợp hình thành khuẩn lạc con, số khuẩn lạc khác khuẩn lạc D (dward: lùn nhỏ) khuẩn lạc G hình thành mặt rìa khuẩn lạc bình thường Ngoài số vi sinh vật số môi trường xuất khả sinh sắc tố làm biến đổi màu sắc môi trường nuôi cấy + Biến dị hình thái ảnh hưởng ngoại cảnh Tất điều kiện sống làm thay đổi hình thái vi khuẩn: - Cấu tạo hóa học mơi trường làm cho vi khuẩn có dạng khuẩn lạc khác nhau, tùy theo nuôi cấy môi trường nước thịt giàu dinh dưỡng, môi trường tổng hợp hay bệnh phẩm - pH, sức căng bề mặt mơi trường tăng, làm hình thành khuẩn lạc mập hơn, ngắn Brucella nhiệt độ 370C có hình ngắn, hình thoi, cầu khuẩn 210C có hình trực khuẩn nhỏ Tốc độ phân chia tế bào chậm nhiệt độ thấp Những điều kiện không thuận lợi khác làm thay đổi hình thái vi khuẩn - Canh khuẩn già thường có dạng thối hóa, hình thái nhiều khác với vi khuẩn bình thường kéo dài hình sợi (ở trực khuẩn) dạng phân nhánh hai đầu - Những tác nhân ức chế, kìm khuẩn diệt khuẩn nồng độ thấp có khả biến đổi hình thái vi khuẩn Vi khuẩn thay đổi hình dạng, hình thành vi khuẩn dạng L (khơng có thành tế bào sinh đột biến) * Biến dị genotyp - đột biến a, Khái niệm Cũng sinh vật bậc cao, vi khuẩn có đột biến Cùng genotype, biểu phenotype phụ thuộc vào điều kiện môi trường Sinh vật bậc cao đột biến thường xuất tế bào mầm, chịu ảnh hưởng mơi trường, vi khuẩn mơi trường ảnh hưởng trực tiếp gây nên biến đổi genotype Như đột biến sai khác với bố mẹ kiểu gen liên quan đến vật chất di truyền 161 b, Bản chất đột biến Bộ nucleotit ADN thuộc gen mật mã thơng tin, tương ứng với cấu trúc protein đặc hiệu Mọi thay đổi nucleotit dẫn đến thay đổi cấu trúc chức protein đó, hình thành tính trạng đột biến Như đột biến thay đổi sở vật chất di truyền mức phân tử c, Tính chất đột biến Đột biến mang tính chất di truyền, gián đoạn, hiếm, ngẫu nhiên, độc lập, đặc hiệu d, Biểu đột biến Mọi đột biến dù ngẫu nhiên hay cảm ứng thay đổi nucleotit xảy theo hai kiểu: + Thay đôi base khác (đột biến điểm) + Cắt khung pentose-phosphat ADN gây tổn hại, đảo ngược đoạn hai điểm cắt (đột biến đoạn) Đột biến thường không biến đảo Ví dụ: Sợi (-) T A G C A C T G Sợi (+) A T C G T G A C ARNt A U C G U G A C Nếu đột biến điểm xảy vị trí ba mã thứ T thay C ba thứ mã hóa cho AUC (izolơxin) sau đột biến cho GUC (valin) e, Nguyên nhân gây đột biến +Ngẫu nhiên: chưa biết rõ nguyên nhân này, có lẽ sai sót ngẫu nhiên liên kết nu bị thay đổi cách ngẫu nhiên +Vật lý (tia tử ngoại (UV) gây đột biến điểm), +Hóa học: ethidium bromide, acid, hóa chất khác, 162 +Sinh học: 3.3 Các dạng đột biến thường gặp 3.3.1 Đột biến ngẫu nhiên Trong quần thể vi khuẩn, luôn xuất đột biến mà không cần có can thiệp thực nghiệm Đó đột biến ngẫu nhiên Một nguyên nhân đột biến ngẫu nhiên có lẽ sai sót ngẫu nhiên liên kết nucleotit bị thay đổi cách ngẫu nhiên Chẳng hạn bình thường T tồn trạng thái keto ghép đôi với A, chép T chuyển sang dạng enol ghép đôi với G Hậu quả: sợi ADN mang cặp CG lẽ vị trí AT -Tần số đột biến tốc độ đột biến: Tần số đột biến (tức số lượng cá thể đột biến quần thể tế bào) khác tính trạng cá thể, đạt từ 10 -4-10-14 phụ thuộc vào tốc độ đột biến, điều kiện môi trường tuổi huyễn dịch Xác suất đột biến tế bào hệ gọi tốc độ đột biến, tốc độ đột biến ngẫu nhiên gen khoảng 10-5, với cặp nucleotit khoảng 10-8 - Đột biến yên lặng Nhiều acid amine có >1 codon tương ứng nên có > ARN tương ứng Do thối hóa mã mà khơng phải đột biến biểu phenotype Với nhiều ba, thay đổi base thứ ba không gây hậu (đột biến yên lặng hay đột biến nguyên nghĩa) Ngay thay đổi base thứ hay thứ hai Mặc dù cấu trúc bậc cao phân tử protein quy định từ cấu trúc bậc acid amine riêng rẽ có ý nghĩa khác cấu trúc protein Ví dụ đột biến AUC (izolơxin) " GUC (valin) dẫn đến thay nhóm ưa lipit thành nhóm ưa lipit khác Trái lại CUU (lơxin) " CCU (prolin) khiến cho chuỗi polypeptide bị sai lệch làm thay đổi sâu sắc cấu trúc bậc cao Vì loạt thể đột biến có gen cấu trúc enzyme bị thay đổi, xuất nhiều mức độ hoạt tính khác nhau, từ hoạt tính khơng đáng kể đến hoàn toàn Hồi biến hoàn tổ 163 Đột biến điểm, thuận nghịch, nghĩa thể đột biến đột biến trở lại phục hồi đặc tính trước Có hai loại hồi biến: Loại thứ nhất, hồi biến vị trí đột biến phục hồi hoạt tính, diễn vị trí đột biến ban đầu Loại thứ hai, vị trí đột biến xảy vị trí khác phân tử ADN, phục hồi phenotype dạng hoang dại Một số đột biến át chế thuộc loại đột biến Ví dụ: đột biến vị trí khác gen phục hồi chức enzyme, đột biến gen khác phục hồi phenotype lồi hoang dại 3.3.2 Đột biến cảm ứng Có thể nâng cao tần số đột biến cách xử lý tế bào tác nhân gây đột biến Đó cảm ứng đột biến tế bào sinh gọi thể đột biến cảm ứng Tác nhân gây đột biến lý, hóa hay sinh học - Câu hỏi ôn tập: Biến nạp thực với điều kiện nào? Nồng độ ADN ảnh hưởng đến biến nạp nào? Biến nạp tải nạp, giống khac điểm nào? Tải nạp chung tải nạp chuyên biệt khac giống điểm nào? Tế bào F- biến thành F+ Hfr không ? cánh nào? - Tài liệu tham khảo: Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (2000) Nhà xuất giáo dục Hà Nội Lê Thành Hòa (2004) Sinh học phân tử: Nguyên lý ứng dụng Viện công nghệ sinh học Phạm Thành Hổ (1999) Di truyền học Nhà xuất giáo dục, trang 320-422 Biền Văn Minh, Phạm Văn Ty, Kiều Hữu ảnh, Phạm Hồng Sơn, Phạm Ngọc Lan, Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) Giáo trình vi sinh vật học Nhà xuất Đại học Huế 164 ... có y sinh vi sinh vật học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật công nghiệp, vi sinh vật học nông nghiệp Ngay vi sinh vật học nơng nghiệp có nhiều chun ngành: vi sinh vật lương thực, vi sinh vật. .. thấy có vi sinh vật sinh sống Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxy (vi sinh vật kỵ khí bắt buộc) Vi sinh vật dễ phát sinh biến dị thường đơn bào, đơn bội, sinh sản... virus, vi sinh vật nhân nguyên thủy vi sinh vật nhân thât 5.1 Virus Là vi sinh vật vô nhỏ bé chưa có cấu tạo tế bào sống ký sinh Virus phát triển sống ký sinh tế bào vật chủ 5.2 Vi sinh vật nhân nguyên