Vi sinh vật ( phần 10 ) Đặc điểm của các vi sinh vật • Kích thước bé nhỏ: Các vi sinh vật có kích thước rất bé, đo bằng đơn vị micromet (1µm = 10- 6m) như các vi nấm, vi khuẩn hoặc nanomet (1nm = 10-9nm) như các virus. Ví dụ: Các tế bào nấm men có đường kính 5 -10 µm. Các vi khuẩn có đường kính x chiều dài cơ thể thay đổi trong khoảng (0,2 - 2,0) x (2,0 - 8,0) µm; hay như E. coli chẳng hạn rất bé: 0,5 x 2,0 µm v.v. • Hấp thụ nhiều, chuyển hoá nhanh: Các vi sinh vật tuy nhỏ bé nhất trong sinh giới, nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn, vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường lactose nặng hơn 1.000-10.000 lần khối lượng cơ thể chúng • Khả năng sinh sản nhanh: So với các sinh vật khác thì các vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ nhanh. Chẳng hạn, ở E. coli, trong điều kiện thích hợp, thời gian một thế hệ kéo dài khoảng 20 phút. Nếu không bị các điều kiện tự nhiên khống chế, chỉ sau một ngày đêm từ một tế bào ban đầu sẽ sinh sản được 272 tế bào, nặng 4.722 tấn! • Khả năng thích ứng rất cao và phát sinh biến dị mạnh: Nói chung, các vi sinh vật vốn có các cơ chế điều hoà chuyển hoá để thích ứng được với các điều kiện sống bất lợi. Trong một tế bào vi sinh vật, số lượng các enzyme thích ứng chiếm tới 10% hàm lượng protein. Nếu có một thay đổi chất dinh dưỡng thì chỉ sau 1/1.000 giây, chúng đã có thể thay đổi để thích ứng rồi. Một số vi khuẩn có thể tiến hành quang hợp dưới tác dụng của ánh sáng, sống không cần oxy; nhưng nếu chuyển vào trong tối lập tức chúng có thể sử dụng oxy để sống. Một số vi sinh vật khi gặp các điều kiện khắc nghiệt thì chuyển sang trạng thái bào tử, ngừng hoạt động. Một số có thể sinh trưởng ngay cả ở nhiệt độ rất cao 250oC, hoặc sống ở đáy sâu đại dương với áp suất khoảng 1.100 atm, v.v. Liên quan tới khả năng thích ứng cũng như sự phong phú về chủng loại, các vi sinh vật còn có đặc tính quan trọng nữa đó là dễ phát sinh biến dị, với tần số trung bình 10-5-10-10. Nguyên do bởi vì cơ thể chúng thường là đơn bào với bộ gene đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Hình thức biến dị thường gặp là các đột biến gene và kéo theo các biến đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng • Phân bố rộng, chủng loại nhiều: Các vi sinh vật phân bố khắp mọi nơi và phát triển nhanh chóng ở những nơi có đủ thức ăn, độ ẩm, và nhiệt độ tối ưu cho sự phân chia và lớn lên của chúng. Chúng có thể được mang đi bởi gió từ nơi này sang nơi khác. Cơ thể người là nơi cư trú của hằng tỷ vi sinh vật; chúng ở trên da, đường ruột, trong mũi, miệng và những chỗ hở khác của cơ thể. Chúng có trong không khí, nước uống và thức ăn. Về chủng loại, ước tính có trên 100 nghìn loài, trong đó nấm chiếm khoảng 69 nghìn loài, vi tảo - 23 nghìn, vi khuẩn lam - 2,5 nghìn, vi khuẩn - 1,5 nghìn, virus và ricketsi - 1,2 nghìn Ưu thế và các đặc điểm của đối tượng vi sinh vật 1. Thời gian thế hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh Trong điều kiện thuận lợi, tế bào E.colicó thể phân chia 1 lần trong 20 phút, còn bacteriophage trong thời gian 30-40 phút có thể tạo ra hàng trăm cá thể, nấm men có thể chia tế bào trong 2 giờ. Đặc điểm nghiên cứu di truyền học là theo dõi qua nhiều thế hệ nên các đối tượng vi sinh vật giúp rút ngắn đáng kể thời gian thí nghiệm. Nếu so sánh thời gian thế hệ của ruồi giấm (2 tuần), của chuột (2 tháng), của người (20 năm) thì các vi sinh vật ưu thế hơn hắn. 2. Có sự tăng vọt số lượng cá thể Trong điều kiện đủ dinh dưỡng các vi sinh vật sinh sản nhanh tạo quần thể có số lượng cá thể đủ lớn, có thể có số lượng 1010 -10 12 tế bào Tế bào E.colicó đường kính 1 mm nếu đủ dinh dưỡng thì trong 44 giờ có thể tạo sinh khối bằng quả đất. Ruồi dấm là đối tượng thuận lợi cho nghiên cứu di truyền học quần thể, nhưng cũng chỉ đạt 105 - 106 cá thể. Nhờ số lượng cá thể lớn có thể phát hiện được các sự kiện di truyền hiếm hoi với tần số 10-8- 10-11. Như vậy số lượng cá thể lớn sẽ giúp nâng cao năng suất phân giải di truyền tức khả năng phát hiện các đột biến và tái tổ hợp có tần số xuất hiện rất nhỏ. Ngoài ra việc nuôi cấy vi sinh vật không cồng kềnh, ít tốn diện tích, môi trường nuôi cấy dễ kiểm soát theo các công thức chặt chẽ. 3. Có cấu tạo bộ máy di truyền đơn giản Ở vi sinh vật có cấu tạo bộ máy di truyền là DNA trần, dễ tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên DNA cũng như dễ chiết tách, tinh sạch, số locus cũng ít hơn so với các sinh vật khác. Các vi nấm và vi tảo có thể tồn tại ở dạng đơn bội (n) với thời gian dài trong chu trình sống nên các gen lặn có thể được biểu hiện ra ở kiểu hình. Ngoài ra các vi sinh vật kể trên còn có trạng thái lưỡng bội (2n) nên cũng dễ dàng thực hiện phân tích tái tổ hợp. Các tính trạng ở vi sinh vật đơn giản. Đối với các tính trạng sinh hóa hay tính đề kháng dễ sử dụng môi trường chọn lọc để phát hiện. 4. Dễ nghiên cứu bằng các kỹ thuật vật lý và hóa học Đa số các vi sinh vật có cấu tạo đơn bào nên quần thể của chúng có độ đồng nhất cao hơn so với các sinh vật có bộ máy đa bào bắt nguồn từ nhiều loại mô khác nhau. Cấu tạo tế bào vi sinh vật đơn giản, dễ chết tách tinh sạch DNA Có thể nuôi vi sinh vật đồng nhất tức đa số các tế bào ở những giai đoạn phát triển gần giống nhau. Ví dụ: nấm men nuôi trên môi trường có bổ sung acetat, tất cả các tế bào nấm men đều tạo bào tử. Tảo Chlorella khi nuôi trong tối 18-19 giờ, tất cả chúng đều thực hiện phân chia giảm nhiễm Đặc điểm của di truyền vi sinh vật - Khuẩn lạc (dòng tế bào) là 1 cụm tế bào có nguồn gốc từ 1 tế bào ban đầu - Chủng: dòng tế bào mang 1 đặc điểm di truyền nào đó. Các đột biến ở vi sinh vật thường được phát hiện theo sự biến đổi các tính trạng sau: - Hình thái: kích thước, hình dạng tế bào hay khuẩn lạc, có màng nhân hay không - Sinh hóa: sự hiện diện của các sắc tố, màu sắc đặc trưng - Nuôi cấy: kiểu hô hấp, kiểu dinh dưỡng, nhu cấu đòi các nhân tố tăng trưởng - Tính đề kháng: kháng thuốc, kháng phage, chịu nhiệt - Miễn nhiễm: phản ứng kháng nguyên, kháng thể Các đột biến có thể xuất hiện ngẫu nhiên hay do gây tạo nhờ các tác nhân gây đột biến. Mỗi gen có tần số đột biến đặc trưng. Đặc điểm của tái tổ hợp ở vi khuẩn: Các sinh vật Prokaryote như vi khuẩn, virus có quá trình sinh sản tương đương sinh sản hữu tính gọi là quá trình sinh sản cận hữu tính (parasexuality), quá trình này có các đặc điểm: - Sự truyền thông tin một chiều từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận. - Sự tạo thành hợp tử một phần (merozygote). Tế bào thể cho (donor) chuyển một đoạn của bộ gen sang tế bào thể nhận (recipient), nên chỉ lưỡng bội một phần, còn các phần khác đơn bội. - Bộ gen thường chỉ là DNA trần, nên chỉ có một nhóm liên kết gen và tái tổ hợp thực chất là lai phân tử. Biến nạp 1. Hiện tượng và điều kiện - Định nghĩa: biến nạp là hiện tượng truyền thông tin di truyền bằng DNA.Trong biến nạp DNA trần từ một tế bào vi khuẩn thể cho này được truyền sang tế bào vi khuẩn thể nhận khác. Khi tế bào vi khuẩn bị vỡ do làm tan, DNA vòng tròn của chúng thoát ra môi trường thành các đoạn thẳng với chiều dài khác nhau có khả năng gây biến nạp cho các tế bào thể nhận khác. Hiện tượng biến nạp được nghiên cứu nhiều ở các đối tượng: Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis, Haemophilus parainfluenzae - Điều kiện thực hiện biến nạp: Hiệu quả của biến nạp phụ thuộc vào 3 yếu tố: + Tính dung nạp của tế bào thể nhận. Những tế bào dung nạp trên bề mặt có các nhân tố dung nạp. Người ta có thể tạo khả năng dung nạp của tế bào thể nhận bằng một số xử lý. Ví dụ: Streptococcus pneumoniae: 30 - 80 điểm nhận Haemophilus influenzae: 4-8 điểm nhận + DNA thực hiện biến nạp của thể cho phải ở dạng mạch kép, nếu DNA bị biến tính ở dạng mạch đơn riêng lẻ không cho hiệu quả biến nạp. Thường DNA biến nạp là một đoạn nhỏ. Ở vi khuẩn E.coli đoạn DNA biến nạp khoảng 1/250 - 1/500 genom của vi khuẩn. Đoạn từ tế bào cho xâm nhập vào tế bào nhận được gọi là đoạn ngoại lai (exogenote), DNA nguyên vẹn của tế bào nhậ được gọi là đoạn nội tại (endogenote). Tế bào vi khuẩn nhận đoạn ngoại lai sẽ lưỡng bội ở một phần bộ gen được gọi là hợp tử từng phần (merozygote). Tuy nhiên, đoạn ngoại lai mạch đơn không bền vững và bị phân hủy nếu không được gắn vào bộ gen thể nhận. Quá trình trao đổi thông tin di truyền bằng chuyển chỉ một phần vật liệu di truyền từ tế bào này sang tế bào khác được gọi là sự giao nạp từng phần (meromixis). 2. Cơ chế biến nạp 2.1. Xâm nhập của DNA Ở giai đoạn này, DNA có thể gắn với điểm nhận của màng tế bào.Quá trình gắn này có thể là thuận nghịch, nó có thể gắn vào rồi nhả ra. Sợi DNA mạch kép của dòng vi khuẩn S sau khi chui qua màng tế bào của dòng vi khuẩn R thì một mạch của S sẽ bị nuclease của tế bào cắt, còn lại một mạch nguyên. 2.2. Bắt cặp Hinh : Cơ chê biên nap tư nhiên DNA của thể nhận R sẽ biến tính tách rời 2 mạch ở một đoạn để bắt cặp với đoạn DNA thể cho S vừa chui vào. Đoạn DNA của R ở đoạn có DNA của S bắt cặp sẽ bị cắt đứt và đẩy ra. Trong quá trình bắt cặp, có những đoạn không tương đồng thì sẽ hình thành nên những vòng lồi, những đoạn đó gọi là Heteroduplex. Còn các đoạn bắt cặp tương đồng gọi là Homoduplex. 2.3. Sao chép Sau khi bắt cặp sẽ tạo phân tử DNA có đoạn lai R-S, tiến hành sao chép để tạo ra hai sợi kép: một sợi kép R-R và một sợi kép khác có mang đoạn DNA thể nhận S-S. . Vi sinh vật ( phần 10 ) Đặc điểm của các vi sinh vật • Kích thước bé nhỏ: Các vi sinh vật có kích thước rất bé, đo bằng đơn vị micromet (1 µm = 10- 6m) như các vi nấm, vi khuẩn hoặc. giấm (2 tuần), của chuột (2 tháng), của người (2 0 năm) thì các vi sinh vật ưu thế hơn hắn. 2. Có sự tăng vọt số lượng cá thể Trong điều kiện đủ dinh dưỡng các vi sinh vật sinh sản nhanh. nanomet (1 nm = 10- 9nm) như các virus. Ví dụ: Các tế bào nấm men có đường kính 5 -10 µm. Các vi khuẩn có đường kính x chiều dài cơ thể thay đổi trong khoảng (0 ,2 - 2, 0) x (2 ,0 - 8, 0) µm; hay