Chương 1 : ĐẠI CƯƠNG VI SIN HY HỌC
4. Di truyền vi khuẩn:
Di truyền là sự bảo tồn đặc tính qua các thế hệ. Cơ sở của sự bảo tồn đặc tính là sự sao chép chất liệu di truyền dựa trên nguyên tắc bán bảo tồn.
Trong quá trình phát triển của vi khuẩn, chất liệu di truyền không phải luôn ln được giữ ngun mà có sự thay đổi, dẫn đến hình thành những đặc tính mới và các cá thể mới. Các yếu tố làm thay đổi chất liệu di truyền:
4.1. Do đột biến:
Đột biến là sự thay đổi đột ngột một tính chất của một cá thể trong quần thể đồng nhất. Đột biến được di truyền, do đó có một clon mới được hình thành từ cá thể đặc biệt này sẽ làm xuất hiện một biến chủng từ chủng hoang dại ban đầu. Một số đột biến có ý nghĩa quan trọng đối với vi sinh y học là: Đột biến kháng kháng sinh, đột biến kháng phage, đột biến thay đổi cấu trúc kháng nguyên…
Các tính chất của đột biến:
Hiếm: Tất cả các đột biến đều hiếm thấy và xảy ra không đều. Tần số biến
chủng cho mỗi đặc tính ở mỗi cá thể là khác nhau, dao động trong khoảng 10-4 đến 10-11. Xác suất xuất hiện một đột biến trên một tế bào trong một thế hệ gọi là suất đột biến. Suất đột biến cho một gen nhất định khoảng 10-5 và cho một cặp nucleotid nhất định khoảng 10-8.
Vững bền: Đặc tính đột biến được duy trì cho thế hệ sau, mặc dù chất chọn
lọc khơng cịn.
Ngẫu nhiên: Đột biến có trước khi có nhân tố chọn lọc tác động. Điển hình là
kiểu đột biến một bước, ở đây mức độ đề kháng không phụ thuộc vào nồng độ kháng sinh được tiếp xúc như: Đột biến kháng streptomycin, rifampicin, erythromycin…Đột biến nhiều bước, ở đây mức độ đề kháng có phụ thuộc vào
13
nồng độ kháng sinh tiếp xúc như: Đột biến kháng penicillin, cephalosporin, chloramphenicol.
Độc lập và đặc hiệu: Đột biến một tính chất này khơng ảnh hưởng đến đột
biến một tính chất khác. Xác suất đột biến kép bằng tích số xác suất 2 đột biến đơn tương ứng. Ví dụ: Hai tính chất A và B, suất đột biến A a là 10-5 và B b là 10-7, thì suất đột biến AB ab là 10-12.
4.2. Do tái tổ hợp kinh điển:
4.2.1. Biến nạp:
Biến nạp: Là sự vận chuyển 1 đoạn ADN từ vi khuẩn cho nạp vào vi khuẩn nhận. Điều kiện:
- Vi khuẩn cho phải được ly giải.
- Nhiễm sắc thể của nó được giải phóng và phân cắt thành các đoạn ADN nhỏ. - Vi khuẩn nhận phải ở trạng thái sinh lý đặc biệt cho phép các đoạn ADN nhỏ gắn vào.
Hai giai đoạn xảy ra trong quá trình biến nạp: Nhận mảnh ADN và tích hợp mảnh
ADN đã nhận vào nhiễm sắc thể thông qua tái tổ hợp kinh điển.
Ví dụ: Biến nạp đặc tính hình thành vỏ của phế cầu. Hiện tượng biến nạp còn quan sát thấy ở H. influenzae, não mô cầu…Kỹ thuật biến nạp được áp dụng trong công nghệ sinh học là biến nạp gen tổng hợp insulin vào tế bào E. coli.
4.2.2. Tải nạp:
Tải nạp: là sự vận chuyển chất liệu di truyền từ vi khuẩn cho nạp vào vi khuẩn nhận
nhờ phage.
Các loại tải nạp:
- Tải nạp chung: Phage có thể mang bất kỳ 1 đoạn gen từ vi khuẩn cho nạp vào vi khuẩn nhận. Ví dụ: Phage P22 có thể chuyển những gen khác nhau của Salmonella. - Tải nạp hạn chế và đặc hiệu: Một phage nhất định chỉ mang được 1 gen nhất định từ vi khuẩn cho nạp vào vi khuẩn nhận. Ví dụ: Phage chỉ mang gen gal.
- Tải nạp chung hoàn chỉnh: Đoạn gen mang sang được tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhận qua tái tổ hợp, do đó được nhân lên cùng nhiễm sắc thể và có mặt ở thế hệ sau.
14
- Tải nạp chung khơng hồn chỉnh: Đoạn gen mang sang không được nạp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhận, do đó khơng cùng được nhân lên và chỉ được nằm lại ở một tế bào con khi vi khuẩn phân chia. Đặc tính của gen được mang sang vẫn được biểu hiện ra kiểu hình song chỉ ở một tế bào duy nhất. Hiện tượng này hay gặp hơn tải nạp hoàn chỉnh.
4.2.3. Tiếp hợp:
Tiếp hợp: là sự vận chuyển chất liệu di truyền từ vi khuẩn đực sang vi khuẩn cái,
khi 2 vi khuẩn tiếp xúc với nhau.
Điều kiện: Một vi khuẩn phải có pyli giới tính để làm cầu giao phối, đó là vi khuẩn
đực (yếu tố F+).
Các giai đoạn của tiếp hợp:
- Hình thành cầu giao phối, do sự tiếp hợp của 2 tế bào vi khuẩn. - Chuyển gen: Gen được chuyển từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận.
- Tích hợp gen chuyển vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhận qua tái tổ hợp kinh điển.
Tiếp hợp thường xảy ra giữa những vi khuẩn cùng lồi, nhưng cũng có thể xảy ra giữa những vi khuẩn khác loài như: E. coli với salmonella hoặc Shigella
nhưng tần số tái tổ hợp thấp.
4.3. Do plasmid:
Plasmid là những phân tử ADN có dạng vịng trịn, nằm ngồi nhiễm sắc thể và có khả năng tự nhân lên. Sự nhân lên của plasmid phối hợp nhịp nhàng với sự nhân lên của nhiễm sắc thể, nhờ đó mà số lượng plasmid/ nhiễm sắc thể ở tế bào con luôn ổn định giống tế bào mẹ.
Plasmid chứa các gen mã hố nhiều đặc tính khác nhau khơng thiết yếu cho sự sống của tế bào, nhưng có thể giúp cho tế bào chủ tồn tại được dưới áp lực của chọn lọc. Vi khuẩn có R- plasmid sẽ tồn tại được trong mơi trường có kháng sinh, trong khi các vi khuẩn nhạy cảm khơng có R- plasmid sẽ bị kháng sinh tiêu diệt. Một số plasmid có vai trị quan trọng trong vi sinh y học là: Plasmid mang gen kháng kháng sinh, plasmid sinh độc tố, plasmid chứa yếu tố độc lực hoặc yếu tố F.
Một số plasmid lớn có bộ gen tra+ (transfer), có khả năng tiếp hợp được với vi khuẩn khác và tự truyền chất liệu di truyền sang vi khuẩn nhận.
15
Một số plasmid nhỏ khơng có bộ gen tra+, mà lại có gen mob (mobilization), sẽ gắn vào plasmid có bộ gen tra+ và chất liệu di truyền được chuyển sang vi khuẩn nhận. Các gen nằm trên plasmid cũng có thể được truyền sang vi khuẩn khác khi vi khuẩn bị ly giải, giải phóng plasmid – ADN hoặc nhờ phage.
Như vậy, chất liệu di truyền trên plasmid có thể được lan truyền từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận qua các hình thức tiếp hợp, biến nạp hoặc tải nạp. Hiện tượng tiếp hợp có thể xảy ra giữa các vi khuản cùng lồi và khác loài như: E. coli
với Shigella, Salmonella với E. coli…Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, vì sự lan truyền các gen đề kháng nằm trên plasmid sẽ có cơ hội tạo ra sự kháng kháng sinh rất đa dạng và phức tạp.
4.4. Do transposone:
Transposone là những đoạn ADN chứa một hay nhiều gen, có hai đầu tận cùng là chuỗi nucleotid giống hệt nhau, nhưng ngược chiều nhau, có thể chuyển vị trí từ phân tử ADN này sang phân tử ADN khác. Đoạn ADN có thể chuyển từ plasmid vào nhiễm sắc thể và ngược lại hoặc từ plasmid này sang plasmid khác.
Đặc biệt quan trọng đối với vi sinh y học là những transposone mang các gen đề kháng như: Tn3 mang gen kháng ampicillin, Tn5 mang gen kháng kanamycin…
Do khả năng lan truyền đặc biệt này của transposone, mà sự kháng kháng sinh của vi khuẩn ngày càng phức tạp và nguy hiểm.