Phân tích codon đặc trưng trong cấu trúc gen ftsz mã hóa protein tham gia vào quá trình phân chia tế bào ở chi lactococcus

HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH CODON ĐẶC TRƢNG TRONG CẤU
TRÚC GEN ftsZ MÃ HĨA PROTEIN THAM GIA VÀO
Q TRÌNH PHÂN CHIA TẾ BÀO Ở CHI Lactococcus

Hà Nội-2023


HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH CODON ĐẶC TRƢNG TRONG CẤU
TRÚC GEN ftsZ MÃ HĨA PROTEIN THAM GIA VÀO
Q TRÌNH PHÂN CHIA TẾ BÀO Ở CHI Lactococcus

Ngƣời thực hiện

: Phạm Thu Hà

Khố

: K64

Mã sinh viên

: 640941

Ngành

: Cơng nghệ sinh học

Ngƣời hƣớng dẫn

: TS. Chu Đức Hà
ThS. Trần Thị Hồng Hạnh

Hà Nội-2023


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện các nghiên cứu trong khóa luận
này. Mọi kết quả thu đƣợc nguyên bản, không chỉnh sửa hoặc sao chép từ các
nghiên cứu khác. Các số liệu, kết quả của khóa luận này chƣa từng đƣợc cơng bố.
Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan trên!
Hà nội, ngày

tháng

Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Hà

i

năm


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình làm và hồn thiện bài báo cáo khóa luận tốt nghiệp,
ngồi sự cố gắng của bản thân, em đã gặp phải nhiều khó khăn và thiếu sót
nhƣng với hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của Cô ThS. Trần Thị Hồng Hạnh trực
thuộc Bộ môn Công nghệ Vi Sinh - Khoa Công nghệ sinh học, trƣờng Học viện
Nông Nghiệp Việt Nam và Thầy TS. Chu Đức Hà - Khoa C ng nghệ N ng
nghiệp, trƣờng Đại học C ng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã gi p đỡ em có
đƣợc những kinh nghiệm quý báu để hoàn thành tốt bài báo cáo bên cạnh những
kiến thức xã hội bổ ch khác.
Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn sự gi p đỡ, chỉ bảo nhiệt
tình của các Thầy, Cơ, Anh, Chị thuộc Khoa C ng nghệ N ng nghiệp, Đại học
C ng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, là nơi em đã tiến hành khóa luận tốt
nghiệp của mình.
Cuối c ng, em xin chân thành cảm ơn sự gi p đỡ của các thầy c đang
công tác tại Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh học, trƣờng Học viện
Nông Nghiệp Việt Nam đã lu n tận tâm giảng dạy và truyền đạt cho em những
kiến thức và kinh nghiệm quý báu để em làm hành trang bƣớc vào cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày

tháng

Sinh viên thực hiện

Phạm Thu Hà

ii

năm


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................... viii
TĨM TẮT ............................................................................................................. x
PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 1
1.2. Mục đ ch và yêu cầu của đề tài ..................................................................... 2
1.2.1. Mục đ ch của đề tài ..................................................................................... 2
1.2.2. Yêu cầu của đề tài ....................................................................................... 2
1.3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ......................................... 2
1.3.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................ 2
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................... 2
PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 3
2.1. Tổng quan về chi Lactococcus ....................................................................... 3
2.2. Nguồn gốc, xuất xứ của chi Lactococcus ...................................................... 3
2.3. Đặc điểm hình thái của chi Lactococcus ........................................................ 4
2.4. Đặc điểm di truyền của chi Lactococcus ....................................................... 5
2.5. Vai trò của chi Lactococcus ........................................................................... 6
2.5.1. Vai trị trong ngành cơng nghiệp thực phẩm............................................... 6

2.5.2. Vai trò trong việc phát triển hệ thống phân phối vắc xin............................ 7
2.5.3. Lactococcus nhƣ một loại men vi sinh Probiotic ........................................ 8
2.5.4. Lactococcus với một số lợi ch đối với sức khỏe con ngƣời ...................... 9
2.6. Giới thiệu về protein FtsZ ............................................................................ 10
2.6.1. Giới thiệu chung về protein FtsZ .............................................................. 10
iii


2.6.2. Cấu trúc của FtsZ ...................................................................................... 11
2.6.3. Vai trò của FtsZ ......................................................................................... 13
2.7. Tình hình nghiên cứu hiện nay..................................................................... 15
2.7.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................ 15
2.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .............................................................. 17
PHẦN III. PHẠM VI, NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 19
3.1. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 19
3.1.1. Thời gian nghiên cứu ................................................................................ 19
3.1.2. Địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 19
3.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 19
3.3. Dữ liệu nghiên cứu ....................................................................................... 19
3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 19
3.4.1. Phƣơng pháp xác định và chú giải họ gen mã hóa FtsZ ở chi Lactococcus.
............................................................................................................................. 19
3.4.2. Phƣơng pháp phân t ch đặc tính của protein FtsZ ở chi Lactococcus. ..... 21
3.4.3. Phƣơng pháp xây dựng cây phát sinh ....................................................... 22
3.4.4. Phƣơng pháp phân t ch vị tr cƣ tr nội bào.............................................. 23
3.4.5. Phƣơng pháp xây dựng mơ hình cấu trúc khơng gian của FtsZ ở chi
Lactococcus. ........................................................................................................ 25
3.4.6. Phƣơng pháp phân t ch cấu tr c đặc trƣng cho FtsZ ở chi Lactococcus........ 26
PHẦN IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 28

4.1. Kết quả xác định và chú giải họ gen mã hóa FtsZ ở chi Lactococcus. ........ 28
4.2. Kết quả phân t ch đặc tính của protein FtsZ ở chi Lactococcus. ................. 29
4.3. Kết quả xây dựng cây phát sinh ................................................................... 35
4.4. Kết quả phân tích vị tr cƣ tr nội bào của protein FtsZ ở chi Lactococcus.36
4.5. Kết quả xây dựng mô hình cấu trúc khơng gian của FtsZ ở chi Lactococcus.
............................................................................................................................. 38
iv


4.6. Cấu tr c đặc trƣng cho FtsZ ở chi Lactococcus ........................................... 40
PHẦN V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 46
5.1. Kết luận ........................................................................................................ 46
5.2. Kiến nghị ...................................................................................................... 46
DANH MỤC LIÊN QUAN ĐẾN KHÓA LUẬN .............................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 48
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 55

v


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
STT Chữ viết tắt

Giải thích Tiếng Anh

Giải thích Tiếng Việt

1

CDS

Coding DNA sequence

Trình tự DNA mã hóa

2

CTT

C-terminal tail

Một đu i C ngắn

3

CTL

C-terminal linker

Trình liên kết đầu cuối C

4

CTV

C-terminal variable

Vùng biến đầu cuối

5

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit deoxyribonucleic

6

GRAVY

7

GTP

GTP-binding pocket

Túi liên kết

8

II

Instability index

Độ bất ổn định

9

L

Length

Chiều dài (aa)

10

LAB

Lactic acid bacteria

Vi khuẩn lactic

11

Mw

Molecular weight

Trọng lƣợng phân tử (kDa)

12

NTP

N-terminal peptide

Peptide đầu tận cùng N

13

NCBI

National Center for

Trung tâm thông tin Công

Biotechnology Information

nghệ Sinh học Quốc gia

14

Pi

Theoretical Pi

Điểm đẳng điện

Grand average of
hydropathicity

vi

Độ ƣa nƣớc trung bình


DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1. Th ng tin họ gene ftsZ ở chi Lactococcus ......................................... 28

Bảng 4.2. Đặc t nh cơ bản của FtsZ ở chi Lactococcus ...................................... 30
Bảng 4.3. Vị tr cƣ tr nội bào của protein FtsZ ở chi Lactococcus. .................. 37

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Hình thái của vi khuẩn Lactococcus ..................................................... 5
Hình 2.2. Một số ứng dụng của chi Lactococcus trong ngành c ng nghiệp
thực phẩm .............................................................................................. 7
Hình 2.3. Cấu tr c tinh thể và các v ng chức năng của FtsZ. ............................ 12
Hình 2.4. Cấu tr c miền của FtsZ ....................................................................... 13
Hình 3.1. Phƣơng pháp xác định và ch giải họ gene mã hóa FtsZ ở chi
Lactococcus. ........................................................................................ 20
Hình 3.2. Phƣơng pháp phân t ch đặc t nh lý hố của nhóm FtsZ ở chi
Lactococcus. ........................................................................................ 21
Hình 3.3. Phƣơng pháp phân nhóm nhóm FtsZ bằng cơ sở dữ liệu trên
MEGA 11. ........................................................................................... 23
Hình 3.4. Phƣơng pháp dự đốn vị tr phân bố của nhóm FtsZ ở lồi
Lactococcus. ........................................................................................ 24
Hình 3.5. Sơ đồ các bƣớc tiến hành xây dựng m hình cấu tr c kh ng gian
của FtsZ ở lồi Lactococus. ................................................................ 25
Hình 3.6. Sơ đồ các bƣớc tiến hành phân t ch cấu tr c đặc trƣng của FtsZ ở
lồi Lactococus. .................................................................................. 26
Hình 4.1. Biểu đồ k ch thƣớc và trọng lƣợng phân tử của họ gene ftsZ ở chi
Lactococcus ......................................................................................... 31
Hình 4.2. Biểu đồ điểm đẳng điện của họ gene ftsZ ở chi Lactococcus ............. 32
Hình 4.3. Biểu đồ độ bất ổn định của họ gene ftsZ ở chi Lactococcus .............. 33
Hình 4.4. Biểu đồ chỉ số béo và độ ƣa nƣớc của họ gene FtsZ ở chi
Lactococcus ......................................................................................... 34

Hình 4.5. Phân nhóm của FtsZ ở chi Lactococcus.............................................. 35
Hình 4.6. M

hình cấu tr c của 22 FtsZ chƣa biết chức năng

ở chi

Lactococcus. ........................................................................................ 38

viii


Hình 4.7. Tỷ lệ của các tiểu đơn vị alpha và beta trong các protein FtsZ ở
Lactococcus. ........................................................................................ 39
Hình 4.8. Kết quả phƣơng pháp xác định cấu tr c đặc trƣng cho FtsZ ở chi
Lactococcus. ........................................................................................ 42
Hình 4.9. V ng NTP của 22 protein FtsZ ở chi Lactococcus và 6 gene mã
hố FtsZ ở các lồi khác. .................................................................... 43
Hình 4.10. V ng GTP của 22 protein FtsZ ở chi Lactococcus và 6 gene mã
hố FtsZ ở các lồi khác. .................................................................... 43
Hình 4.11. V ng CTT của các protein FtsZ ở chi Lactococcus 6 gene mã
hố FtsZ ở các lồi khác. .................................................................... 44
Hình 4.12. V ng CTL của 22 protein FtsZ ở chi Lactococcus và 6 gene mã
hoá FtsZ ở các lồi khác. .................................................................... 44
Hình 4.13. V ng CTV của 22 protein FtsZ ở chi Lactococcus và 6 gene mã
hoá FtsZ ở các loài khác. .................................................................... 45

ix

TĨM TẮT
Các protein FtsZ đã đƣợc đặc trƣng hóa để đóng vai trị quan trọng trong
q trình phân chia tế bào. Ở đây, em đã báo cáo một phân t ch tồn diện về các
protein FtsZ trong nhóm chi Lactococcus bằng các phƣơng pháp tin sinh học.
Kết quả là, em đã xác định và m tả các protein FtsZ trong 22 loài Lactococcus.
K ch thƣớc và trọng lƣợng của các protein FtsZ trong nhóm chi Lactococcus lần
lƣợt nằm trong khoảng từ 387 đến 430 aa và từ 41,14 đến 45,11 kDa. Tất cả các
protein FtsZ trong lồi Lactococcus đều có t nh axit và hình cầu và đƣợc định vị
trong tế bào chất. Tiếp theo, mơ hình cấu tr c 3D và nhiều căn chỉnh đã đƣợc
thực hiện. Em nhận ra rằng các protein FtsZ trong loài Lactococcus thể hiện
năm v ng chức năng cụ thể. Kết hợp lại với nhau, nghiên cứu của em có thể
cung cấp một nền tảng vững chắc để m tả thêm đặc t nh chức năng của các
protein FtsZ liên quan đến quá trình phân chia tế bào.

x


PHẦN I: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Phân chia tế bào đã đƣợc biết đến nhƣ một quá trình quan trọng đối với
toàn bộ sinh vật sống. Về cơ bản, sự phân chia tế bào ở các loài vi khuẩn đƣợc
sắp xếp bởi một bộ phận phân chia. Trong bƣớc này, FtsZ, một guanosine-5′triphosphatease (GTPase) hình thành polyme, th c đẩy q trình phân chia tế
bào vi khuẩn (Lưwe & Amos, 1998). Đặc biệt, các protein FtsZ đóng vai trị nhƣ
một cơng cụ điều hịa q trình hình thành q trình phân chia và tế bào học, khi
nó tập hợp thành các sợi nguyên sinh để tạo nên một khuôn mẫu giống nhƣ
chiếc nhẫn (Mcquillen & Xiao, 2020). Các protein FtsZ ở các loài vi khuẩn đƣợc
báo cáo là chia sẻ cách thức tƣơng tự với các tubulin trong các tế bào nhân
chuẩn (Nogales j, 1998). Tuy nhiên, cho đến nay, thông tin về các protein FtsZ
trong các tế bào nhân sơ khác nhau vẫn chƣa rõ ràng.
Lactococcus là một chi vi khuẩn rất phổ biến thuộc họ vi khuẩn axit lactic

(Batt, 2014). Chi này đã đƣợc báo cáo sử dụng trong ngành cơng nghiệp thực
phẩm, ví dụ, sản xuất các sản phẩm từ sữa. Ở quy mô phân tử, quá trình phân
chia tế bào, đặc biệt là các protein FtsZ của các nhóm chi này chƣa đƣợc mơ tả
đầy đủ. Xuất phát từ thực tiễn đó, t i đã thực hiện đề tài ―Phân tích codon đặc
trƣng trong cấu trúc gen ftsZ mã hóa protein tham gia vào q trình phân
chia tế bào ở chi Lactococcus”
Mục đ ch của nghiên cứu này là mơ tả tồn diện các protein FtsZ đƣợc
tìm thấy trong các nhóm chi Lactococcus bằng cách sử dụng các phƣơng pháp
tin sinh học khác nhau. Đầu tiên, t i đã xác định các protein FtsZ trong tất cả
các lồi Lactococcus, hiện có sẵn trong cơ sở dữ liệu của Trung tâm Thông tin
Công nghệ sinh học Quốc Gia (National Center for Biotechnology Information).
Tiếp theo, các tính chất hóa lý của protein FtsZ đã đƣợc khám phá để hiểu rõ
hơn về các đặc điểm điển hình của các phân tử này. Tiếp theo tơi dự đốn cấu
1


trúc 3D của protein FtsZ. Cuối cùng, miền đƣợc bảo tồn cấu trúc các protein
FtsZ trong các loài Lactococcus đã đƣợc nghiên cứu chuyên sâu.
1.2. Mục đích và yêu cầu của đề tài
1.2.1. Mục đích của đề tài
Đề tài đƣợc thực hiện nhằm xác định, phân tích cấu tr c và đánh giá biểu
hiện gene mã hóa FtsZ ở chi Lactococcus nhằm bổ sung dữ liệu về nhân tố phân
chia tế bào FtsZ liên quan đến vi sinh vật trong tiến hoá.
1.2.2. Yêu cầu của đề tài
Đề tài nghiên cứu bao gồm các yêu cầu chính sau:
- Xác định và chú giải họ gene mã hoá FtsZ ở chi Lactococcus.
- Phân t ch đặc tính và phân nhóm của protein FtsZ ở chi Lactococcus.
- Phân tích vị tr cƣ trú nội bào của protein FtsZ ở chi Lactococcus.
- Xây dựng mơ hình cấu trúc khơng gian của FtsZ ở chi Lactococcus.
- Phân tích cấu tr c đặc trƣng cho FtsZ ở chi Lactococcus.

1.3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu này sẽ tạo cơ sở khoa học cho nghiên cứu tiếp theo về
gene mã hóa FtsZ liên quan đến q trình tiến hố của chi Lactococcus và đồng
thời cung cấp phƣơng pháp luận cho những nghiên cứu về vi sinh vật.
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu này nhằm cung cấp những hiểu biết cơ bản về cấu
trúc và biểu hiện gene mã hóa FtsZ.

2


PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về chi Lactococcus
Lactococcus là một chi của vi khuẩn lactic trƣớc đây đƣợc bao gồm trong
chi Streptococcus. Một số loài thuộc chi Lactococcus đƣợc sử dụng để lên men
nhằm sản xuất axit lactic L (+) từ glucose. Hiện nay, bảy loài của chi
Lactococcus đã đƣợc công nhận bao gồm L. chungangensis, L. fujiensis, L.
garvieae, L. lactis, L. piscium, L. plantarum, và L. raffinolactis. Các loài thuộc
loại L. Lactis là loài duy nhất đƣợc sử dụng trong cơng nghệ chăn nu i bị sữa và
đƣợc chia thành bốn phân loài: L. lactis subsp. cremoris, L. lactis subsp.
hordniae, L. lactis subsp. lactis và L. lactis subsp. họ tructae. Lactococcus đƣợc
phân phối rộng rãi trong các sản phẩm sữa, thực vật, c n tr ng, cá và động vật.
Hầu hết các loài Lactococcus đƣợc coi là an tồn, nhƣng L. garvieae có thể gây
bệnh cho ngƣời, cá và động vật. Chúng là các cầu khuẩn gram dƣơng, catalase
âm, kh ng di động, đƣợc tìm thấy đơn lẻ, theo cặp hoặc thành chuỗi. Trong
ngành công nghiệp sữa, các loài Lactococcus đƣợc sử dụng chủ yếu trong sản
xuất axit lactic từ lactose, thủy phân casein, phân giải chất béo bằng hoạt động
esterase yếu và lên men axit xitric. Gần đây L. lactis đã đƣợc sử dụng trong
nhiều ứng dụng y sinh.

2.2. Nguồn gốc, xuất xứ của chi Lactococcus
Mặc dù có mối liên hệ phổ biến giữa L. lactis với các sản phẩm từ sữa, vi
khuẩn này ban đầu đƣợc phân lập từ thực vật nơi nó đƣợc cho là không hoạt
động, và chỉ trở nên hoạt động và nhân lên trong đƣờng tiêu hóa sau khi đƣợc
tiêu thụ bởi động vật nhai lại. Có nguồn gốc từ chi Streptococcus và đƣợc phân
loại lại thành chi Lactococcus vào năm 1985, L. lactis đƣợc chia thành ba phân
loài là L. lactis subsp. lactis, L. lactis subsp. cremoris, và L. lactis subsp.
hordniae. Về mặt kiểu hình, nó đƣợc phân loại là vi khuẩn đƣờng ruột kỵ khí
gram dƣơng, hình cầu, homolactate, khơng tạo bào tử, và khơng hình thành với
3


hàng trăm chủng và các chất sinh học đƣợc công bố cho đến nay.
Lactococcus lactis đã đƣợc sử dụng trong nhiều thế kỷ trong quá trình lên
men thực phẩm, đặc biệt là pho mát, sữa chua, dƣa cải bắp và các loại tƣơng tự,
do đó khiến nó thƣờng đƣợc Cục Quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm công nhận
là an toàn. Ngoài việc truyền đạt hƣơng vị, L. lactis là một vi khuẩn lactic axit
(LAB) cũng tạo ra axit để bảo quản thực phẩm. Một số chủng tăng cƣờng hơn
nữa đặc tính bảo quản này với việc sản xuất vi khuẩn, do đó củng cố vai trị của
nó trong ngành cơng nghiệp thực phẩm. Ngồi chức năng quan trọng của nó
trong thực phẩm, L. lactis đã trở thành m hình LAB khi nói đến cơng nghệ gen.
Một số yếu tố bao gồm bộ gen đƣợc giải trình tự đầy đủ có k ch thƣớc nhỏ (2,3
Mbp) và sự phát triển của các công cụ kỹ thuật di truyền tƣơng th ch thành c ng
nhƣ hệ thống nhân bản và biểu hiện với các tùy chọn có thể tùy chỉnh, đã khiến
nó trở thành một m hình đáng mơ ƣớc. Trong hai thập kỷ qua, L. lactis đã mở
rộng ứng dụng của nó từ thực phẩm để trở thành một nhà máy sản xuất tế bào vi
sinh vật thành công, và trong nhiều trƣờng hợp, hoạt động nhƣ một chất thay thế
gram dƣơng cho Bacillus subtilis và Lactobacillus plantarum, hoặc đối tác gram
âm của nó, Escherichia coli.
2.3. Đặc điểm hình thái của chi Lactococcus

Vi khuẩn thuộc chi Lactococcus có hình dạng nhƣ hình cầu hoặc tế bào
hình trứng, có thể phát triển riêng lẻ, theo cặp hoặc theo chuỗi. Trong trƣờng
hợp có hình dạng chuỗi, các ơ sẽ kéo dài theo c ng hƣớng của chuỗi. Chúng có
nhiều plasmid có thể thay đổi k ch thƣớc từ 2 kb (Kilobase) đến hơn 100 kb.
Thành tế bào bao gồm peptidoglycan và một ma trận các polysacarit, axit
teichoic và protein. Lactococci về hình thái là vi khuẩn Gram dƣơng đồng tính,
vi sinh, đặc trƣng bởi các tế bào hình trứng có k ch thc 0,5-1,2 ì 0,5-1,5 àm,
xut hin riờng l, tng cp hoặc thành chuỗi, kh ng di động, khơng hình thành
bào tử hoặc viên nang.
L. lactis là một thành viên của nhóm vi khuẩn ƣa nhiệt tạo thành một
4


trong những thành phần chính trong cả ni cấy cơng nghiệp và thủ cơng. Vai
trị chính của lactococci trong q trình lên men sữa liên quan đến q trình
chuyển hóa đƣờng lactose thành lactic axit và chuyển đổi protein sữa thành các
hợp chất tạo hƣơng vị. Về hình thái tế bào, lactococci có các tế bào hình cầu
hoặc hình trứng và phân bố đơn lẻ hoặc thành chuỗi. Chúng là các vi khuẩn
Gram dƣơng, catalase âm, kỵ kh đa dạng, khơng chuyển động và khơng hình
thành bào tử. Chúng có thể phát triển ở 10 ° C nhƣng kh ng phải ở 45° C, và lên
men glucose bằng con đƣờng hexose diphosphate tạo ral (+) - axit lactic. Ba bộ
gen của lactococcal đã đƣợc giải trình tự hồn tồn cho đến nay và có kích
thƣớc từ 2,37 đến 2,53 Mbp, với hàm lƣợng G + C là ∼35 mol%.

Hình 2.1. Hình thái của vi khuẩn Lactococcus
(Nguồn: Poudel et al., 2022)
2.4. Đặc điểm di truyền của chi Lactococcus
Do tầm quan trọng trong cơng nghiệp của chúng, cả hai phân lồi L. lactis
đều đƣợc sử dụng rộng rãi làm mơ hình trong nghiên cứu vi khuẩn axit lactic. L.
lactis ssp. cremoris đƣợc đại diện bởi các chủng phịng thí nghiệm LM0230 và

MG1363. L. lactis ssp. lactis đƣợc đại diện trong các phòng thí nghiệm nghiên
cứu bởi "chủng ngựa lao", IL1403. Bắt đầu từ năm 2001, bộ gen của ba chủng vi
5


khuẩn này đã đƣợc xác định trình tự, dẫn đến sự hiểu biết ngày càng cao về
những vi khuẩn này, đặc biệt là liên quan đến các ứng dụng của chúng.
Bộ gen so sánh sẽ cung cấp thông tin về cách các chủng Lactococcus khác
nhau đã th ch nghi với m i trƣờng của chúng, và cách chúng sử dụng các chất
dinh dƣỡng sẵn có. Phân tích bộ gen cũng cho thấy một số đặc điểm đáng ngạc
nhiên, bao gồm các gen cho thấy vi khuẩn có thể thực hiện hơ hấp hiếu khí và có
thể trải qua q trình truyền gen ngang bằng quá trình biến nạp. Nghiên cứu này
đánh dấu một bƣớc quan trọng đối với việc hiểu và vận dụng L. lactis, đặc biệt
là để cải thiện hƣơng vị, kết cấu và bảo quản 10 triệu tấn pho mát đƣợc sản xuất
hàng năm. Kiến thức về trình tự bộ gen cũng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho công
việc hiện tại và tƣơng lai nhằm khai thác L. lactis cho nhiều ứng dụng y tế và
duy trì sức khỏe.
2.5. Vai trò của chi Lactococcus
2.5.1. Vai trò trong ngành cơng nghiệp thực phẩm
Lactococcus lactis có liên quan đến các vi khuẩn axit lactic khác nhƣ L.
acidophilus trong đƣờng ruột của chúng ta và Streptococcus salivarius trong
miệng. Tuy nhiên, Lactococcus thƣờng kh ng cƣ tr trong m ngƣời và khác
với nhiều vi khuẩn axit lactic khác ở khả năng chịu đựng pH, muối và nhiệt độ
để phát triển, đây là những đặc điểm quan trọng liên quan đến việc sử dụng nó
làm chất ni cấy khởi đầu trong cơng nghiệp sản xuất pho mát nhƣ Cheddar,
Colby, pho mát tƣơi, pho mát kem, Camembert, Roquefort và Brie, cũng nhƣ
các sản phẩm từ sữa khác nhƣ bơ nu i cấy, bơ sữa, kem chua và kefir. Nó cũng
có thể đƣợc sử dụng để lên men rau quả nhƣ dƣa chuột muối và dƣa cải bắp. Vi
khuẩn này có thể đƣợc sử dụng trong ni cấy khởi đầu dịng đơn, hoặc ni cấy
hỗn hợp với các vi khuẩn lactic axit khác nhƣ các loài Lactobacillus và

Streptococcus.
Khi L. lactis đƣợc thêm vào sữa, vi khuẩn sử dụng các enzym để tạo ra
các phân tử năng lƣợng, đƣợc gọi là ATP, từ đƣờng lactose. Sản phẩm phụ của
6


quá trình sản xuất ATP là axit lactic. Axit lactic làm đ ng sữa, sau đó tách ra để
tạo thành sữa đ ng, đƣợc sử dụng để sản xuất pho mát và váng sữa. Nhƣng làm
đ ng sữa không phải là vai trò duy nhất của vi khuẩn trong sản xuất pho mát.
Axit lactic đƣợc tạo ra bởi vi khuẩn làm giảm độ pH của sản phẩm và bảo vệ nó
khỏi sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc khơng mong muốn trong khi các sản
phẩm chuyển hóa khác và các enzym do L. lactis tạo ra góp phần tạo ra hƣơng
thơm và mùi vị tinh tế hơn để phân biệt các loại pho mát khác nhau.

Hình 2.2. Một số ứng dụng của chi Lactococcus trong ngành công nghiệp
thực phẩm
2.5.2. Vai trò trong việc phát triển hệ thống phân phối vắc xin
Bên cạnh việc sản xuất các sản phẩm sữa lên men, L. lactis còn đƣợc ứng
dụng trong việc phát triển hệ thống phân phối vắc xin. Vi khuẩn có thể đƣợc
biến đổi gen để tạo ra protein từ các loài gây bệnh trên bề mặt tế bào của chúng.
Cấy vào mũi động vật với chủng đã biến đổi sẽ tạo ra phản ứng miễn dịch đối
với protein đƣợc nhân bản và cung cấp khả năng miễn dịch đối với mầm bệnh.
Ví dụ, nếu một ngƣời muốn cung cấp khả năng miễn dịch đối với S. pyogenes,
tác nhân gây bệnh viêm họng, Lactococcus có thể đƣợc thiết kế để trình bày
phần bảo tồn của protein M liên cầu cần thiết cho sự bám dính và khu trú của
liên cầu vào niêm mạc mũi họng. Đáp ứng miễn dịch cục bộ kết quả có thể bảo
vệ cá nhân khỏi chứng viêm họng do liên cầu khuẩn biểu hiện ở dạng protein M
đó. Về mặt lý thuyết, phƣơng pháp này có thể đƣợc điều chỉnh cho phù hợp với

7

bất kỳ mầm bệnh nào xâm nhập và xâm nhập qua bề mặt niêm mạc ở ngƣời
hoặc động vật. Điều này bao gồm các mầm bệnh ở ngƣời nhƣ S. pyogenes, S.
pneumoniae, Haemophilus influenzae, Mycobacterium tuberculosis, Bordetella
pertussis và Neisseria meningitidis, trong số những loại khác.
Hơn 4 triệu ca tử vong mỗi năm do các bệnh về đƣờng hô hấp. Các vắc xin
tiết kiệm và hiệu quả chống lại các tác nhân gây bệnh đƣờng hô hấp là cần thiết
để thực hiện ở các nƣớc nghèo hơn, nơi gánh nặng bệnh tật cao nhất. Sau nhiễm
tr ng đƣờng hô hấp, một số tác nhân gây bệnh cũng có thể xâm nhập vào mơ biểu
m , đạt đƣợc tuần hồn tồn thân và lây lan đến các cơ quan khác. Sử dụng
đƣờng mũi của các công thức kháng nguyên khác nhau bằng cách sử dụng L.
lactis nhƣ một phƣơng tiện phân phối đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn trong việc
tạo ra các phản ứng miễn dịch để đánh bại các mầm bệnh tại vị trí lây nhiễm.
2.5.3. Lactococcus nhƣ một loại men vi sinh Probiotic
Lactococcus lactis đã đƣợc coi là một loại vi khuẩn probiotic. Vì vậy, nó
xuất hiện phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, nhiều hơn so với các chủng lợi
khuẩn truyền thống khác, vì nó đƣợc tìm thấy trong pho mát, sữa bơ và các sản
phẩm sữa lên men khác và rau muối. Là một loại vi khuẩn probiotic, L. lactis
thƣờng không xâm chiếm vật chủ, nhƣng vẫn có thể tạo ra những tác động có lợi
cho vật chủ của nó.
Một số nghiên cứu đƣợc thực hiện trong Drosophila, chuột nhắt, chuột
cống, vi khuẩn hoặc nuôi cấy tế bào ngƣời đã gợi ý các đặc tính của L. lactis cho
thấy giá trị của probiotic. Một nghiên cứu nhƣ vậy cho thấy L. lactis tạo ra vi
khuẩn, Nisin, có thể ức chế sự phát triển của cầu khuẩn ruột kháng vancomycin,
chẳng hạn nhƣ Enterococcus faecium, cũng nhƣ các vi khuẩn kháng kháng sinh
khác. Trong nghiên cứu này, Nisin hoặc các peptit kháng khuẩn khác do L.
lactis cung cấp có thể làm giảm số lƣợng mầm bệnh xuống 10.000 lần trong mơi
trƣờng phịng thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng hệ thống phân phối
loại này cũng có thể đƣợc sử dụng cùng với các loại thuốc kháng sinh truyền

8


thống để làm chậm sự phát triển của tình trạng kháng thuốc kháng sinh. Một
nghiên cứu khác cho thấy L. lactis có tác dụng ức chế đối với một số loại nấm
trong các chi Aspergillus, Fusarium và Candida. Điều này cho thấy L. lactis có
thể ngăn chặn một số loại nấm trong ruột. Có một số bằng chứng cho thấy L.
lactis có thể ngăn ngừa và giảm viêm ruột, cho thấy rằng các đặc tính chống
viêm của L. lactis có thể đóng một vai trị trong điều trị bệnh viêm ruột. Cuối
c ng, đã có nghiên cứu cho rằng L. lactis có thể giúp giảm huyết áp, cholesterol
LDL và hàm lƣợng chất béo trung tính ở những ngƣời bị tăng huyết áp.
2.5.4. Lactococcus với một số lợi ích đối với sức khỏe con ngƣời
Đối với con ngƣời, công dụng quan trọng nhất của Lactococcus lactis là
tăng cƣờng hệ miễn dịch. L. lactis đã đƣợc chứng minh là đặc biệt hiệu quả
trong việc cung cấp các kháng nguyên kích thích miễn dịch niêm mạc đối với
mầm bệnh đƣờng hơ hấp. Nó dƣờng nhƣ cũng thể hiện khả năng bảo vệ chống
lại các mầm bệnh không gây bệnh đƣờng hô hấp, chẳng hạn nhƣ HIV, vi r t u
nhú ở ngƣời và ký sinh trùng sốt rét.
Bởi vì L. lactis có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt của đƣờng tiêu
hóa nhƣng kh ng xâm chiếm ruột (nhƣ các chủng Lactobacillus khác), nên nó
có thể đƣợc sử dụng nhƣ một ―phƣơng tiện‖ để đƣa các chất trị liệu nhƣ
cytokine vào cơ thể con ngƣời. Điều này lần đầu tiên đƣợc thực hiện trong một
nghiên cứu liên quan đến chuột bị viêm đại tràng, trong đó sự tiết interleukin-10
(IL-10) ở L. lactis đƣợc thiết kế để điều trị bệnh viêm ruột.
Một nghiên cứu của Nhật Bản cũng đã tìm thấy lợi ích sức khỏe của
Lactoccocus lactis. Bằng cách sử dụng vi khuẩn Salmonella Flagellar, các nhà
nghiên cứu đã có thể sử dụng L. lactis để tạo ra axetat (thơng qua q trình lên
men đƣờng lactoza) và sau đó làm gián đoạn vịng quay của roi của vi khuẩn –
do đó cản trở khả năng di chuyển của vi khuẩn Salmonella trong cơ thể. Ngƣời
ta kết luận rằng Lac. lactis có thể là một công cụ hữu ch để ngăn ngừa nhiễm

trùng bởi nhiều loài vi khuẩn.

9


2.6. Giới thiệu về protein FtsZ
2.6.1. Giới thiệu chung về protein FtsZ
Theo nghiên cứu của William Margolin vào năm 2016 FtsZ là một loại
protein bảo tồn cao đƣợc tìm thấy trong hầu hết các nhóm vi khuẩn chính và
trong nhánh Euryarcharal của cổ khuẩn Archaea. Tuy nhiên, nó khơng có ở
Crenarchaea và cũng kh ng có ở một số nhóm vi khuẩn lớn. Một trong những
nhóm này, Planctomycetes, khác thƣờng ở chỗ một số lồi chứa nucleoid có
màng bao bọc. Một đại diện của nhóm này, Pirellula spp., đã đƣợc giải trình tự
hồn chỉnh và thiếu gene ftsZ. Một số lồi trong nhóm vi khuẩn đa dạng khác
bao gồm Chlamydiae và Verrucomicrobia cũng thiếu ftsZ. Thú vị thay,
Prosthecobacter dejongii, một thành viên của nhóm vi khuẩn verrucobacteria
thiếu ftsZ, chứa các gene giống với gen tubulin hơn đáng kể so với ftsZ. Mặc dù
trình tự của các gene tubulin của vi khuẩn này cũng khác với các tubulin của
sinh vật nhân chuẩn, nhƣng có khả năng ch ng đƣợc thu nhận từ sinh vật nhân
chuẩn bằng cách chuyển gen ngang. Để hỗ trợ cho ý tƣởng này, các loài liên
quan đến P. dejongii khơng có các gen tubulin này. Khơng có thơng tin gì về ý
nghĩa chức năng của các tubulin vi khuẩn này, mặc dù gần đây ch ng đã đƣợc
chứng minh là tập hợp thành các protofilament và thủy phân GTP. Cuối cùng,
nhiều động vật thân mềm kh ng vách ngăn (Mycoplasmas) chứa ftsZ, ngoại trừ
Ureaplasma urealyticum, một loài sống tự do. Các mycoplasma cũng đã mất
nhiều gen phân chia tế bào khác, nhƣng vẫn chƣa rõ tại sao U. urealyticum lại
mất ftsZ hoặc làm thế nào nó có thể phân chia mà khơng có nó. Trên thực tế, cơ
chế phân chia tế bào xảy ra ở bất kỳ loài nào thiếu ftsZ vẫn chƣa đƣợc biết.
FtsZ cũng đƣợc tìm thấy trong các tế bào nhân chuẩn. Các chất tƣơng
đồng đƣợc mã hóa hạt nhân của FtsZ đƣợc đƣa vào lục lạp và ty thể của các sinh

vật nhân thực nguyên thủy nhƣ sinh vật nguyên sinh. Kết quả là, tảo nguyên
thủy có các tƣơng đồng FtsZ riêng biệt cho lục lạp và ty thể của chúng. Thực vật
bậc cao chứa hai họ tƣơng đồng FtsZ riêng biệt dƣờng nhƣ đã phân hóa sớm
10


trong q trình tiến hóa của thực vật, có lẽ vì chúng có các chức năng riêng biệt
và đƣợc bảo tồn. Nhƣ mong đợi từ nguồn gốc endosymbiotic của chúng, ty thể
chứa protein FtsZ có liên quan chặt chẽ nhất với protein của α-proteobacteria, là
tổ tiên của ty thể, trong khi FtsZ lục lạp có liên quan chặt chẽ nhất với vi khuẩn
lam, tiền thân của lục lạp.
2.6.2. Cấu trúc của FtsZ
Đột biến nhạy cảm với nhiệt độ tạo sợi Z (FtsZ) lần đầu tiên đƣợc mô tả
cho Escherichia coli vào năm 1980, dựa trên phát hiện rằng nhiều thể đột biến
khác nhau của E. coli không thể phân chia mà phát triển thành sợi dài ở nhiệt độ
không cho phép là 42°C. Một thập kỷ sau, trong một nghiên cứu mang t nh đột
phá, Bi và Lutkenhaus có thể chỉ ra rằng FtsZ tự lắp ráp thành cấu trúc dạng
vòng tại vị tr phân chia trong tƣơng lai, cấu trúc này phụ thuộc vào sự liên kết
và quá trình thủy phân sau đó của nucleotide guanosine-5′- triphotphat (GTP).
Khả năng hiện diện của các yếu tố khung tế bào trong tế bào vi khuẩn, có thể
tƣơng tự về mặt chức năng với vai trò của actin hoặc tubulin trong quá trình
phân bào ở tế bào nhân chuẩn, đã thách thức quan điểm về vi khuẩn vào thời
điểm đó và ủng hộ nhận thức mới nổi rằng vi khuẩn không chỉ là một túi chứa
đầy enzym, do đó k ch hoạt vô số cuộc điều tra sâu hơn về FtsZ.
Năm 1998, Löwe và Amos đã báo cáo cấu trúc tinh thể đầu tiên của FtsZ,
cấu tr c này sau đó đƣợc tinh chế ở độ phân giải 1,7 Å (PDB: 1FSZ và 2VAP,
tƣơng ứng; ngân hàng dữ liệu protein, ). Phân giải dƣ lƣợng
axit amin 23-356 của FtsZ từ methanogen siêu ƣa nhiệt Methanocaldococcus
jannaschii (MjFtsZ, trƣớc đây là Methanococcus jannaschii; tổng chiều dài
protein: 364 axit amin), cấu trúc tinh thể đầu tiên tiết lộ hai miền protein chính,

cụ thể là GTP đầu tận cùng N miền liên kết và miền đầu cuối C, và nó đã chứng
minh cấu tr c tƣơng đồng với tubulin protein tế bào nhân chuẩn (Hình 1A & B).
Trong cả β-tubulin và FtsZ, miền đầu cuối N bao gồm sáu tờ β đƣợc sắp xếp
song song và đƣợc bao quanh bởi các chuỗi xoắn ốc H1-H6. Miền đầu cuối C
11


bao gồm bốn tờ β đƣợc sắp xếp song song (S7–S10), đƣợc bao quanh bởi các
chuỗi xoắn ốc H8-H10 và nó đƣợc kết nối với miền đầu cuối N thơng qua chuỗi
xoắn ốc trung tâm H7. MjFtsZ mang thêm một chuỗi xoắn ốc H0 ở đầu N,
khơng có trong tubulin và FtsZ từ các sinh vật đƣợc mô tả khác. Hơn nữa,
tubulin mang thêm hai xoắn ốc dài ở đầu C (H11 + H12), trong khi MjFtsZ đƣợc
đặc trƣng bởi v ng β-kẹp tóc nhỏ (S11 + S12) ở vị tr này. Đáng ch ý, MjFtsZ
cịn có một đu i N dài hơn 30 axit amin nh ra khỏi protein lõi hình cầu, ngắn
hơn đáng kể ở các vi khuẩn khác bao gồm E. coli, Pseudomonas aeruginosa,
Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus và
Mycobacterium tuberculosis.

Hình 2.3. Cấu trúc tinh thể và các vùng chức năng của FtsZ.
(Nguồn: Nadine Silber et al., 2020)
Về nguyên tắc, FtsZ có thể đƣợc chia thành năm v ng chức năng riêng
biệt sau: một peptide đầu cuối N (NTP) đƣợc bảo tồn kém; một vùng lõi hình
cầu, đƣợc bảo tồn cao bao gồm các phần chính của miền đầu cuối N và C cũng
12


nhƣ t i liên kết GTP; một trình liên kết đầu cuối C khơng có cấu trúc (CTL);
một đu i C ngắn, đƣợc bảo tồn (CTT); và vùng biến đổi đầu cuối C (CTV) (
Hình 2.3B).

Hình 2.4. Cấu trúc miền của FtsZ
(Nguồn: William Margolin, 2016)
V ng NTP đƣợc bảo tồn kém và có thể có chiều dài từ vài đến hơn 60 axit
amin. Vùng NTP kết thúc với isoleucine đƣợc bảo tồn ở đầu 'nếp gấp
Rossmann', điểm bắt đầu đƣợc xác định của miền lõi FtsZ.
Peptide N-terminal đƣợc bảo tồn kém đóng vai trị trong q trình phân
chia tế bào của vi khuẩn lam; tuy nhiên, nó vẫn chƣa đƣợc gán chức năng trong
Firmicutes và Proteobacteria. Vùng lõi hình cầu đƣợc bảo tồn cao bao gồm vị
trí hoạt động GTPase, có chức năng nhƣ một giao diện cho sự liên kết từ đầu
đến đu i của các đơn phân FtsZ thành các nguyên mẫu và nó có liên quan đến
việc hỗ trợ các tƣơng tác bên của các nguyên mẫu FtsZ.
Trình liên kết đầu cuối C (CTL) khơng có cấu trúc hoạt động nhƣ một dây
buộc linh hoạt để cung cấp một khoảng cách xác định từ màng vi khuẩn, nơi
FtsZ đƣợc neo thông qua các protein điều biến. Đu i đầu cuối C ngắn, đƣợc bảo
tồn (CTT) là trung tâm trung tâm cho các protein phân chia tƣơng tác với FtsZ.
Vùng biến đổi đầu cuối C (CTV) đóng một vai trò trong các tƣơng tác bên của
các nguyên mẫu ftsZ
2.6.3. Vai trò của FtsZ
FtsZ là một protein phân chia tế bào quan trọng ở sinh vật nhân sơ và
ngày càng có nhiều hứa hẹn là mục tiêu cho việc khám phá thuốc kháng khuẩn.
Protein FtsZ đã đƣợc dự đoán là một mục tiêu mạnh và đã đƣợc nghiên cứu rộng
13