Vi rỳt tự nú khụng sinh sản như cỏc sinh vật khỏc. Vi rỳt cần xõm nhập vào bờn trong tế bào ký chủ và chỉ đạo tế bào ký chủ phải tạo ra cỏc vi rỳt mới. Cỏc tỏc giả thường gọi đú là sự tỏi sản (replication) của vi rỳt. Một số cỏc tỏc giả khỏc cũng gọi là sự sinh sản của vi rỳt, mặc dự từ này hơi gượng ộp. Trong bài này chỳng ta dựng từ sự tỏi sản (multiplication) để chỉ quỏ trỡnh vi rỳt chỉ đạo ký chủ tạo ra cỏc vi rỳt mới.
1. Sự tỏi sản của thực khuẩn thể :
Quỏ trỡnh tỏi sản của phage trải qua 5 giai đoạn (Hỡnh 7-8) : - Giai đoạn phage hấp phụ lờn bề mặt của vi khuẩn. - Giai đoạn xõm nhập vào bờn trong vi khuẩn. - Giai đoạn tổng hợp cỏc thành phần của phage. - Giai đoạn lắp rỏp.
- Giai đoạn giải phúng phage ra bờn ngoài.
a/ Giai đoạn hấp phụ của phage lờn bề mặt vi khuẩn :
Mỗi loại phage chỉ cú thể hấp phụ lờn bề mặt của một loại vi khuẩn nhất định. Ngoài ra, đặc tớnh này cũn cú thể chuyờn húa sõu hơn, nghĩa là mỗi phage
chẳng những chỉ hấp phụ lờn bề mặt của một loại vi khuẩn mà cũn chuyờn biệt hơn, nú chỉ cú thể hấp phụ đối với một vài dũng của loài vi khuẩn ấy mà thụi.
Hỡnh 7-8: Sơ đồ cỏc giai đoạn trong sự tỏi sản của thực khuẩn thể
Thớ dụ : Phage của vi khuẩn Xanthomonas campestris pv. oryzae chỉ hấp phụ lờn bề mặt của loài vi khuẩn này mà thụi và khụng hấp phụ được đối với vi khuẩn của loài khỏc. Ngay trong cựng loài vi khuẩn X. campestris pv. oryzae, cỏc phage xỏc định cũng chỉ hấp phụ một hoặc vài chủng của vi khuẩn nầy mà thụi. Thớ dụ: Phage P7 chỉ hấp phụ được đối với chủng Ku 7501. Trong khi đú phage P6 hấp phụ được chủng ku 7501 nhưng khụng hấp phụ được đối với chủng Ku 7506. Phage P10 ngược lại hấp phụ được cả 2 loại vi khuẩn trờn. Cỏc chủng phage và vi khuẩn trờn được phõn lập từ ĐBSCL.
Sự hấp phụ của phage tựy thuộc vào cỏc thụ thể (receptor) trờn mặt vỏch tế bào vi khuẩn, và cỏc thụ thể tương ứng ở cỏc lụng đuụi của phage. Ở vi khuẩn cỏc thụ thể này cú thể nằm ở trong lớp lipit, cũng cú trường hợp nằm trong lớp lipụpụlysaccarit. Nếu dựng cỏc men tương ứng phỏ hủy cỏc thụ thể này thỡ vi khuẩn khụng bị ký sinh nữa.
Mối tương tỏc đặc trưng của cỏc thụ thể ở vi khuẩn và ở phage, theo cơ chế lý húa sẽ dẫn tới hai thụ thể gắn chặt với nhau, làm cho vi rỳt hấp phụ lờn bề mặt tế bào vi khuẩn.
Vỡ trờn vỏch tế bào vi khuẩn cú rất nhiều thụ thể nờn mỗi vi khuẩn cú thể bị hàng trăm phage hấp phụ. Ở roi của vi khuẩn cũng cú nhiều thụ thể nờn phage cũng thường bỏm theo roi của vi khuẩn.
Cỏc dũng vi khuẩn khỏng phage cú thể do vỏch tế bào vi khuẩn này khụng cú cỏc thụ thể tương ứng đối với cỏc phage ấy.
b/ Giai đoạn phage xõm nhập vào bờn trong tế bào vi khuẩn :
Phage khụng chui vào bờn trong tế bào vi khuẩn mà chỉ tiờm acid nuclờic của phage (DNA) vào trong tế bào chất của vi khuẩn. Giai đoạn này xảy ra là nhờ đuụi của phage tiết ra men lizụzim, làm tan vỏch tế bào vi khuẩn, kế đú, bao đuụi của phage co lại, nhờ đú trụ đuụi chọc thủng màng nguyờn sinh chất của vi khuẩn. Tiếp theo, DNA của phage theo trụ đuụi tuụn vào trong tế bào chất của vi khuẩn (Hỡnh 7-9).
Bằng cỏc thớ nghiệm với cỏc phage đó được đỏnh dấu DNA bằng P32 và với prụtờin bằng S35, cỏc tỏc giả Harshey và Chase (1952), Simon và Aderson (1967) đó chứng minh chớnh xỏc rằng chỉ cú DNA của phage xõm nhập vào bờn trong tế bào chất của vi khuẩn mà thụi, vỏ của phage cũn nằm bờn ngoài tế bào vi khuẩn.
Ngay khi vào tế bào, DNA của phage lập tức "tan biến" và vi khuẩn khụng cú triệu chứng gỡ của trạng thỏi nhiễm bệnh. Thời gian này gọi là thời gian tiềm ẩn của phage (latent period). Thời kỳ tiềm ẩn này lõu hay mau là một đặc tớnh của phage với dũng vi khuẩn tương ứng.
Thớ dụ : Cỏc phage của vi khuẩn Xanthomonas campestris pv. oryzae phõn lập được ở ĐBSCL cú thời kỳ tiềm ẩn khỏc nhau như :
Phage Thời kỳ tiềm ẩn (phỳt) P6 P7 P10 45 75 115
Hỡnh 7-9: Hỡnh vẽ phage T2 ở hai trạng thỏi: (a) Phage nguyờn vẹn
(b) Phage sau khi tiờm DNA vào ký chủ: chỉ cũn vỏ prụtờin bờn ngoài, đuụi phage co lại cho thấy trụ của đuụi, đầu phage trống rổng khụng cũn DNA.
Ở một số điều kiện, sau khi DNA của phage xõm nhập vào bờn trong tế bào vi khuẩn, thời kỳ tiềm ẩn kộo dài rất lõu, cú thể qua rất nhiều thế hệ của vi khuẩn ấy. Ta gọi là phage ụn hũa (temperate phage).
Ở cỏc phage gõy độc, ngày nay với cỏc phương phỏp nhõn tạo phỏ vỡ tế bào vi khuẩn ra để tỡm quan sỏt phage trong giai đoạn này đều khụng thành cụng.
c/ Giai đoạn tổng hợp cỏc thành phần của phage :
Sau khi được tiờm vào tế bào chất của vi khuẩn, DNA của phage cú những biến đổi húa học cho phự hợp với tế bào để tế bào cú thể nhận dạng và chấp nhận nú như ổ khúa nhận đỳng chỡa khúa. Sau khi đó nhận đỳng nhau rồi thỡ DNA của phage sẽ gõy ra quỏ trỡnh trao đổi chất theo kiểu mới.
Trước hết tế bào vi khuẩn đỡnh chỉ ngay việc tổng hợp RNA và prụtờin của vi khuẩn. Kế đú, quỏ trỡnh tổng hợp DNA của phage diễn ra rất mạnh. Lỳc đầu DNA của phage được thành lập nhanh chúng và chậm lại vào cuối quỏ trỡnh. " Vật liệu" để tổng hợp DNA của phage được lấy từ DNA của vi khuẩn và tiếp sau đú là giai đoạn tổng hợp prụtờin của phage.
Ở vi khuẩn Escherichia coli bị phage xõm nhập, người ta nhận thấy prụtờin tổng số trong vi khuẩn tăng lờn trong 30 phỳt đầu. Sau đú từ phỳt thứ 10 đờnỳ phỳt thứ 30 là thời gian tổng hợp DNA của phage và sau đú từ 5 - 10 phỳt là giai đoạn tổng hợp prụtờin của phage.
α/ Quỏ trỡnh tổng hợp DNA của phage :
- Đối với phage cú DNA 2 sợi : Quỏ trỡnh tổng hợp DNA 2 sợi của phage theo cơ chế bỏn bảo thủ và nguyờn tắc bổ sung. Hai sợi DNA của phage sẽ thỏo xoắn ra và mỗi sợi sẽ tạo ra RNAtt (RNA thụng tin) theo nguyờn tắc bổ sung.RNAtt chỉ đạo ribụxụm của vi khuẩn tổng hợp ra cỏc sợi DNA tương ứng. Hai sợi DNA mới, tương bự với nhau, kết hợp lại thành DNA 2 sợi của phage mới (Hỡnh 7-10).
Hỡnh 7-10: Sơ đồ tỏi tạo DNA hai sợi ở phage theo cơ chế bỏn bảo thủ và nguyờn tắc bổ sung.
- Đối với phage cú DNA 1 sợi : Sự tỏi tạo DNA của phage này hơi khỏc hơn. Từ DNA một sợi của phage hỡnh thành DNA "dạng tỏi tạo" (replicative form) gồm 2 sợi theo nguyờn tắc bổ sung, trong đú một sợi là DNA của phage từ đầu, gọi là dương bản, và sợi kia là sợi mới được tạo ra và tương bự với dương bản gọi là sợi õm bản. Sau đú DNA õm bản được dựng làm khuụn mẫu, và nhờ RNAtt chỉ đạo, cỏc ribụxụm của vi khuẩn sẽ tỏi tạo ra cỏc sợi DNA dương bản, tức là cỏc DNA của phage mới (Hỡnh 7-14).
ββββ/ Tổng hợp prụtờin của phage :
Sự tổng hợp prụtờin của phage cũng tuõn theo những cơ chế chung của quỏ trỡnh sinh tổng hợp prụtờin trong tế bào. Toàn bộ quỏ trỡnh xảy ra theo 2 giai đoạn :
- Giai đoạn sao mó (transcription) : Là gia đoạn tổng hợp ra RNAtt theo khuụn mẫu của DNA của phage, theo nguyờn tắc bổ sung.
Hỡnh 7-11: Sơ đồ mụ tả cỏch tỏi tạo DNA một sợi của phage.
- Giai đoạn giải mó (translation) : Nhờ RNAtt chỉ đạo và nhờ cỏc RNAvc (RNA vận chuyển) mang cỏc acid amin tương ứng đến cỏc ribụxụm của tế bào vi khuẩn lắp rỏp vào thành chuỗi prụtờin theo khuụn của RNAtt .
sao mó giải mó
DNA RNAtt prụtờin ribụxụm
RNAvc d/ Giai đoạn lắp rỏp :
Sau khi đó được tổng hợp xong cỏc phần của phage như DNA, vỏ, đuụi, ...cũn ở riờng rẻ nhau. Cỏc phần tử này chuyển động lộn xộn trong tế bào vi khuẩn và va chạm lẫn nhau một cỏch tự nhiờn. Qua sự va chạm lẫn nhau cỏc phần của phage sẽ tự lắp rỏp theo qui luật "húa tinh thể". Ở phage T của vi khuẩn E. coli, lỳc đầu DNA thu lại hành một cấu trỳc dớnh sỏt lại với nhau, sau đú cỏc đơn vị của vỏ prụtờin "kết tinh" chung quanh cấu trỳc này để tạo thành đầu. Đuụi của phage được tạo thành ở nơi khỏc và khi va chạm tỡnh cờ sẽ gắn với đầu để thành một phage hoàn chỉnh (Hỡnh 7-11).
e/ Giai đoạn phúng thớch phage :
Sau khi đươỷc lắp rỏp xong, phage tiết ra men lizụzim làm vỡ vỏch tế bào vi khuẩn và phage.
Mỗi tế bào vi khuẩn cú thể phúng thớch ra từ vài phage đến vài ngàn phage. Số lượng phage được phúng thớch từ một tế bào vi khuẩn là đặc tớnh của phage tương ứng và là con số cố định.
Thớ dụ : Cỏc phage của vi khuẩn Xanthomonas campestris pv. oryzae ở cỏc tỉnh ĐBSCL cú số lượng phage được phúng thớch từ một tế bào vi khuẩn như sau :
Phage Thời kỳ tiềm ẩn (phỳt)
Số lượng phage được phúng thớch từ một tế bào vi khuẩn P1 P6 P7 P10 45 45 75 115 66 110 39 10
2. Phage ụn hũa và hiện tượng sinh tan :
Thụng thường khi DNA của một phage đó xõm nhập vào tế bào vi khuẩn thỡ sẽ dẫn đến kết quả bi thảm là làm tan tế bào vi khuẩn ấy để tỏi tạo ra một số nhất định phage ấy. Tuy nhiờn trong thiờn nhiờn cũng cú trường hợp ngoại lệ, sau khi phage tiờm DNA vào tế bào vi khuẩn, nhưng phage khụng làm tan vi khuẩn. Hệ gen của phage bấy giờ được nhõn lờn cựng với sự nhõn lờn của hệ gen của vi khuẩn và tồn tại cựng với vi khuẩn trong thời gian dài. Hiện tượng này gọi là hiện tượng sinh tan (lysogeny). Phage gõy nờn hiện tượng này được gọi là phage ụn hũa (temperate bacteriophage).
Nếu cấy những tế bào vi khuẩn sinh tan lờn mụi trường thỡ những thế hệ sau này cũng tạo thành tế bào sinh tan. Hệ gen của phage nằm trong hệ gen của tế bào gọi là tiền phage (prophage) (Hỡnh 7-12).
Những tài liệu thu thập được trong những năm gần đõy chứng minh rằng prophage trong vi khuẩn khụng phải là thành phần cấu tạo nhiễm sắc thể của tế bào vi khuẩn như những gen thực, mà chỉ từ bờn ngoài đớnh vào những vị trớ xỏc định
trờn nhiễm sắc thể của tế bào. Thớ dụ như ở phage λ của vi khuẩn E. coli khi biến thành prophage thỡ hệ gen của phage sẽ nằm giữa cỏc locut galactụz (gal) và biotin (bio) trờn hệ gen của vi khuẩn (Hỡnh 7-13).
Quỏ trỡnh gắn hệ gen của phage vào hệ gen của vi khuẩn được mụ tả như trong Hỡnh 7-13. Phage λ cú DNA hai sợi, khi được tiờm vào tế bào vi khuẩn, hai đầu của sợi DNA nối lại với nhau và sợi DNA làm thành một vũng trũn. Trờn sợi DNA của phage cú một đoạn với khoảng giữa locut gal và bio trờn DNA của tế bào vi khuẩn. Ở đoạn tương đồng của phage được ký hiệu là att, thứ tự sắp xếp cỏc nucleotid của đoạn tương ứng trờn DNA của vi khuẩn. Vỡ cú thứ tự sắp xếp cỏc nucleotid giống nhau nờn hệ gen của phage sẽ tiến đến gần hệ gen của vi khuẩn. Giữa chỳng xảy ra hiện tượng tỏi tổ hợp nhờ sự rứt đứt một cỏch tương ứng cỏc liờn kết photphodiester và tiếp theo là sự hợp nhất giữa cỏc đoạn DNA của vi khuẩn và của phage. Kết quả là hệ gen của phage được gắn vào nhiễm sắc thể của tế bào.
Như vậy prophage là một phần được gắn thờm vào nhiễm sắc thể cuả tế bào vi khuẩn. Sự tỏi tạo DNA của prophage xảy ra đồng thời với sự tỏi tạo DNA của tế bào vi khuẩn, điều đú giải thớch vỡ sao thế hệ sau của vi khuẩn sinh tan cũng là những vi khuẩn sinh tan.
Cũng cú trường hợp vi khuẩn sinh tan bị mất đi prophage. Hiện tượng tự chữa khỏi này rất hiếm hoi, xỏc suất xảy ra khoảng 10-5.
Một tế bào cú thể đồng thời chứa một số cỏc phage khỏc nhau nằm trờn cỏc đoạn khỏc nhau của nhiễm sắc thể tế bào, trạng thỏi này gọi là đó sinh tan (polylysogeny).
Hỡnh 7-13: Sơ đồ mụ tả cỏc giai đoạn trong quỏ trỡnh hệ gen của phage λ xõm nhập vào hệ gen của vi khuẩn E. coli
Phage gõy độc cú thể xem như là trường hợp ADN của phage mất đoạn tương đồng ATT, chỳng khụng thể gia nhập vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, do đú chỳng ở trong trạng thỏi tự trị và gõy độc cho tế bào.
Hiện tượng sinh tan đó được biết từ năm 1930 nhưng vỡ chưa khỏm phỏ được cơ chế nờn ý nghĩa của nú bị lu mờ đi. Mói đến năm 1950, Lvốp (Lwoff) mới phỏt hiện ra cơ chế này và được giải thưởng Nobel. Việc khỏm phỏ ra cơ chế của hiện
tượng sinh tan cú ý nghĩa rất lớn đối với y học vỡ nú hộ mở những tia sỏng đầu tiờn để giải thớch cơ chế sinh ra ung thư ở người và động vật.
Vi rỳt SV-40 gõy bệnh ung thư cho chuột đồng cũng cú những giai đoạn "ụn hoà" trong tế bào sinh tan của chuột.
3. Sự tỏi tạo của vi rỳt động vật và vi rỳt thực vật :
Vi rỳt động vật và vi rỳt thực vật cũng cú lối tỏi tạo gần giống với phage. Quỏ trỡnh tỏi tạo cũng trải qua 5 giai đoạn như trờn.
a/ Giai đoạn hấp phụ trờn bề mặt của tế bào ký chủ: Sự hấp phụ của vi rỳt lờn bề mặt của tế bào thường xảy ra một cỏch thụ động, do ngẫu nhiờn hay do một tỏc nhõn làm lan truyền chỳng, chứ khụng do vi rỳt chủ động. Thớ dụ như vi rỳt cỳm cú mặt trong khụng khớ, do người hớt phải sẽ hấp phụ lờn bề mặt cỏc tế bào niờm mạc ở họng, hoặc vi rỳt dịch tả cú mặt trong nước, được người nuốt vào, sẽ hấp phụ lờn bề mặt tế bào niờm mạc ở bộ tiờu húa. Ở một số vi rỳt khỏc, vi rỳt cú thể hấp phụ nhờ một hoặc vài tỏc nhõn nào đú mang chỳng đến với ký chủ. Cỏc tỏc nhõn đú cú thể là sự tiếp xỳc, đụng chạm giữa cỏ thể mang bệnh với cỏ thể khỏe (TD: vi rỳt TMV), cũng cú thể do con người (TD: vi rỳt HIV) hoặc do cụn trựng (TD: vi rỳt sốt xuất huyết) mang đến làm lan truyền chỳng cho cỏ thể khỏe.
Sự hấp phụ của vi rỳt lờn tế bào ký chủ cũng xảy ra tại cỏc thụ thể cú trờn vỏch tế bào ký chủ và cú trờn vi rỳt như ở trường hợp của phage kể trờn. Sự hấp phụ cú thể xảy ra khi cỏc thụ thể ở ký chủ và ở vi rỳt hoàn toàn ăn khớp với nhau, vớ như, như ổ khúa với chỡa khúa hay như õm bản với dương bản.
b/ Giai đoạn xõm nhập vào bờn trong tế bào ký chủ :
Trong một thời gian dài người ta cho rằng phương thức cởi bỏ vỏ tế bào bờn ngoài (như trường hợp xõm nhập của phage) là cơ chế xõm nhập chung cho tất cả cỏc loại vi rỳt. Ngày nay nhờ kớnh hiển vi điện tử người ta phỏt hiện thấy vi rỳt động vật cũn cú một cơ chế xõm nhập khỏc hơn. Đú là hiện tượng "ẩm bào" (pinocytosis) của tế bào động vật. Theo cơ chế này thỡ những tế bào tự động mọc ra những chõn giả bao lấy vi rỳt (cả vỏ lẫn nhõn) và thu nú vào trong mỡnh theo kiểu con amip bắt mồi. Khi vào trong tế bào ký chủ, bản thõn vi rỳt khụng tự phỏ vỡ vỏ bọc mà phải nhờ đến hệ thống men phõn giải prụtờin của tế bào do lyzụxụm tiết ra. Sau khi vỏ prụtờin