Phân tích hệ genome chủng bacillus thuringiensis lm1212 (khóa luận tốt nghiệp)

HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
----------------------

-----------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HỆ GENOME CHỦNG
Bacillus thuringiensis LM1212

HÀ NỘI - 2022


HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
----------------------

-----------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HỆ GENOME CHỦNG
Bacillus thuringiensis LM1212

Họ và tên

: Phạm Hương Giang

Lớp

: K63CNSHB

Mã sinh viên

: 637124

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Thị Nhiên

HÀ NỘI - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp đại học: “Phân tích hệ genome chủng
Bacillus thuringiensis LM1212” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và giám
sát của TS. Nguyễn Thị Nhiên kết quả của đề tài không khớp với bất kỳ khóa
luận nào khác. Dữ liệu và kết quả được trình bày trong bài báo là hồn tồn trung
thực và khách quan, dựa trên quan điểm riêng của tơi về đề tài này. Nếu có gì sai
sót, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Trong q trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận, em đã được thừa hưởng
những thành quả của các nhà khoa học với lịng kính trọng và biết ơn.
Hà Nội, ngày 29 tháng 7 năm 2022
Sinh viên
Phạm Hương Giang

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Nhiên đã hỗ trợ tận tình
cho em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận và hồn thành khóa luận tốt

nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ Sinh học
Động vật đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của
mình.
Em xin cảm ơn các thầy cơ giáo, gia đình và bạn bè đã ln động viên,
giúp đỡ em có điều kiện tốt nhất có thể trong suốt q trình hồn thành luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên khóa luận chắc chắn sẽ có những
hạn chế và thiếu sót nhất định. Trân trọng và ghi nhận những nhận xét, đóng góp
của các thầy, cô giáo và các bạn sinh viên.
Hà Nội, ngày 11 tháng 7 năm 2022
Sinh viên
Phạm Hương Giang

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ vii
TÓM TẮT .......................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................ 3
1.1. Giới thiệu về Bacillus ..................................................................................... 3
1.1.1. Khái quát ..................................................................................................... 3
1.1.2.Phân loại và phát sinh loài ........................................................................... 4
1.1.3.Cấu trúc bề mặt của Bacillus ........................................................................ 6

1.1.4.Thành tế bào ................................................................................................. 7
1.1.5. Di truyền ...................................................................................................... 8
1.2. Khai thác bộ gene của Bacillus ...................................................................... 9
1.2.1. Khai thác bộ gene ........................................................................................ 9
1.2.2. Vai trò của tin sinh học trong việc khám phá sản phẩm tự nhiên bằng
cách khai thác bộ gene. ............................................................................... 10
1.3. Về ứng dụng tin sinh học ............................................................................. 11
1.3.1. Một số ứng dụng của tin sinh học ............................................................. 12
1.3.2. Hướng đi trong tương lai ........................................................................... 15
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ....................................... 16
2.1. Vật liệu. ........................................................................................................ 16
2.2. Thiết bị nghiên cứu ...................................................................................... 19
2.3. Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ...................................... 20

iii


2.3.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 20
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 21
2.3.3. Phân tích cụm gene mã hóa cho các con đường sinh tổng hợp một số hợp
chất thứ cấp trong Bacillus thuringiensis LM1212..................................... 23
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 29
3.1. Phát sinh loài của Bacillus thuringiensis LM1212 ...................................... 29
3.2. Dự đốn trình tự các gen có trong Bacillus thuringiensis LM1212 ............ 30
3.3. Chú thích bộ gen, phân tích chức năng của Bacillus thuringiensis LM1212 ... 31
3.4. Các cụm gene sinh tổng hợp cho các chất chuyển hóa thứ cấp của Bacillus
thuringiensis LM1212 ................................................................................. 45
3.5. Con đường sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp Bacillibactin ở Bacillus
thuringiensis LM1212 ................................................................................. 47
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................................ 51

1. Kết luận ........................................................................................................... 51
2. Đề xuất ............................................................................................................ 51
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 53

iv


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

antiSMASH

Antibiotics & Secondary Metabolite Analysis Shell
(Công cụ phân tích các vùng gen sinh tổng hợp các hợp chất thứ
cấp và kháng sinh)
ARTS
Antibiotic Resistant Target Seeker
(công cụ tìm kiếm gen kháng kháng sinh)
BGCs
Biosynthetic gene clusters
(vùng gen sinh tổng hợp một chất/nhóm chất)
BLAST
Basic Local Alignment Search Tool
(Cơng cụ tìm kiếm các trình tự tương đồng)
Local BLAST Sử dụng công cụ BLAST với cơ sở dữ liệu trên máy tính (khơng
làm BLAST online)
CAZyme
Carbohydrate active enzyme
(enzyme thuỷ phân carbohydrate)
COGs
Clusters of Orthologous Groups

(nhóm các vùng tương đồng)
GBDP
Genome BLAST Distance Phylogeny
(cây phát sinh chủng loại dựa trên so sánh bộ genome hoặc một
phần của bộ genome)
GO
Gene Ontology
(Bản thể luận gen: là một hệ thống thống nhất việc diễn tả các
thuộc tính gen và sản phẩm của gen đó trên tất cả các loài.
KEGG
Kyoto Encyclopedia of Gene and Genomes
(Bách khoa toàn thư Kyoto về Genes và Genomes)
NRPSs
Non-ribosomal peptide synthetases
(Peptide được sinh tổng hợp không phụ thuộc vào ribosome)
PKSs
Polyketide synthases
(Enzyme sinh tổng hợp polyketides)
TYGS
The Type (Strain) Genome Server
(Server về hệ genome của sinh vật tiền nhân)
SMS
single molecule sequencing
(Kỹ thuật giải trình tự với 1 phân tử DNA)

v


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3. 1. Mối quan hệ của chủng Bacillus thuringiensis LM1212 với 14 loài
liên quan dựa trên so sánh trình tự hệ gen ...................................... 30
Hình 3. 2. Đặc điểm bộ gene của Bacillus thuringiensis LM1212 được cung
cấp bởi GeneMark ........................................................................... 31
Hình 3. 3. Tổng quan về kết quả chú thích chức năng Blast2GO của Bacillus
thuringiensis LM1212 ..................................................................... 32
Hình 3. 4. Số trình tự có độ dài của LM1212 ................................................. 33
Hình 3. 5. Phân bố độ tương tự của trình tự.................................................... 34
Hình 3. 6. Sự tương đồng về trình tự của chủng nghiên cứu và các chủng liên
quan ................................................................................................. 35
Hình 3. 7. Biểu đồ phân bố lồi Top- Hit của Bacillus thuringiensis LM1212 ... 35
Hình 3. 8. Biểu đồ kết quả InterProScan......................................................... 36
Hình 3. 9. Biểu đồ GO – Level Distribution cho Bacillus thuringiensis LM1212. 37
Hình 3. 10. Quá trình sinh học (Biological Process) của Bacillus thuringiensis
LM1212 ........................................................................................... 41
Hình 3. 11. Sơ đồ mối quan hệ giữa các protein thuộc nhóm chức năng phân tử
của chủng Bacillus thuringiensis LM1212 ..................................... 43
Hình 3. 12. Sơ đồ mối quan hệ giữa các protein thuộc nhóm thành phần tế bào
của chủng Bacillus thuringiensis LM1212 ..................................... 44
Hình 3. 13. Kết quả phân tích các cụm gen giả định cho q trình sinh tổng hợp
các hợp chất thứ cấp bởi AntiSMASH của Bacillus thuringiensis
LM1212 ........................................................................................... 45
Hình 3. 14. Cụm 6 trong Antismash ............................................................... 48
Hình 3. 15. Điều chỉnh quá trình thu nhận sắt trong quá trình phát triển màng
sinh học. .......................................................................................... 48
Hình 3. 16. Vùng sinh tổng hợp và vận chuyển bacillibactin của chủng Bacillus
subtilis subsp. subtilis str. 168 ........................................................ 49
Hình 3. 17. Kết quả chạy local blast ............................................................... 49

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1. Sự phân chia lại phân loại trong Bacillus (1986-2004). ...................... 6
Bảng 2. 1. Đặc điểm bộ gen của Bacillus thuringiensis LM1212 được cung cấp
bởi NCBI, EZBioCloud .................................................................... 17
Bảng 2. 2. Danh sách 14 chủng Bacillus liên quan. ............................................ 23
Bảng 3.1. Danh mục 14 chủng Bacillus sử dụng trong phân tích ...................... 29
Bảng 3. 2. Mức phân bố GO cho Bacillus thuringiensis LM1212 ..................... 39
Bảng 3. 3. Danh mục bản thể luận gen sau khi phân tích bởi BLAST2GO ....... 40

vii


TĨM TẮT
Bacillus là nhóm vi khuẩn có lợi hiện diện trong đa số các chế phẩm vi sinh
và sản xuất enzyme. Trong nghiên cứu này, bộ gene chủng Bacillus thuringiensis
LM1212 được sử dụng để kiểm tra khả năng sinh tổng hợp các hợp chất tiềm
năng. Đối với bộ gen này, khi so sánh với các chủng Bacillus liên quan, thì cho
thấy rằng hệ gen giống nhau gần như 80-100%. Kết quả phân tích cơng cụ
antiSMASH 6.0.1 cho thấy chủng Bacillus thuringiensis LM1212 có 9 BGC giả
định cho q trình sinh tổng hợp các hợp chất thứ cấp như: Peptide được sinh tổng
hợp không phụ thuộc vào ribosome (NPRS), RiPP-like, NRPS-like, betalactone,
terpene,… Khố luận cũng phân tích cụm gene sinh tổng hợp bacillibtin liên kết
với sắt ngoại bào và vận chuyển nó qua màng tế bào. Nghiên cứu này cho thấy
việc phân tích bộ gene vơ cùng thiết thực và quan trọng.

viii

MỞ ĐẦU
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài
Cho đến nay, nhiều chủng Bacillus được sử dụng như là lợi khuẩn cho nhiều

ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp hoặc y tế. Đối với ứng dụng trong vật
nuôi, Bacillus được sử dụng để cải thiện cân bằng hệ vi sinh đường ruột, tạo ra
một mơi trường tối ưu để tiêu hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng, giúp cho sức khỏe
và hiệu suất sinh trưởng và phát triển của vật nuôi tốt hơn. Bên cạnh đó, Bacillus
cũng được biết đến có khả năng sinh kháng sinh do vậy có tác dụng ức chế mầm
bệnh nên đem lại lợi ích bảo vệ tốt hơn cho vật chủ.
Để có thể tìm hiểu cơ chế tác động của các chủng Bacillus, người ta tiến hành
nhiều nghiên cứu từ mức đặc điểm hình thái, sinh học, hoá sinh và sinh học phân
tử. Gần đây, để khám phá được tiềm năng một cách tổng thể của các chủng vi sinh
vật, người ta tiến hành giải trình tự của hệ gen của các chủng và tiến hành phân
tích chuyên sâu dựa trên trình tự bộ gen.
Hệ Gene của chủng vi khuẩn Bacillus thuringiensis LM1212 đã được các
nhà khoa học tiến hành giải trình tự, tuy nhiên, việc tìm hiểu tiềm năng của chủng
này thông qua các công cụ tin sinh học lại chưa được triển khai. Xuất phát từ thực
tiến trên em đã tiến hành đề tài: “Phân tích hệ genome chủng Bacillus
thuringiensis LM1212”.
1.2. Mục đích và yêu cầu
1.2.1. Mục đích
Phân tích tồn bộ bộ gene của vi khuẩn Bacillus thuringiensis LM1212 và
xác định được ít nhất một con đường sinh tổng hợp của một hợp chất có hoạt tính
sinh học tiềm năng trong bộ gene.
1.2.2. Yêu cầu
- Xác định các đặc điểm chung hệ gene.

- Phân tích cụm gene sinh tổng hợp cho một số hợp chất thứ cấp của chủng
Bacillus thuringiensis LM1212

1


- Phân tích Gene Ontology: Q trình sinh học (Biological process), Chức
năng phân tử (Molecular function), Thành phần tế bào (Cellular component)
- Dự đoán các chức năng của Bacillus thuringiensis LM1212 dựa trên trình
tự DNA.
- Phân tích con đường của chất chuyển hóa thứ cấp để tạo ra bacillibactin
của Bacillus thuringiensis LM1212

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu về Bacillus
1.1.1. Khái quát
Năm 1872, Ferdinand Cohn, một người cùng thời với Robert Koch, đã nhận
ra và đặt tên cho vi khuẩn là Bacillus subtilis. Sinh vật này là vi khuẩn Gram
dương, có khả năng phát triển trong điều kiện có oxy và hình thành một loại tế
bào nghỉ duy nhất được gọi là endospore. Sinh vật đại diện cho những gì đã trở
thành một chi lớn và đa dạng của vi khuẩn có tên là Bacillus, trong họ Bacillaceae.
Koch dựa trên những quan sát của Cohn trong tác phẩm kinh điển của ông
(1876), Căn nguyên của bệnh than dựa trên lịch sử cuộc đời của Bacillus anthracis,
đã cung cấp bằng chứng đầu tiên rằng một vi sinh vật cụ thể có thể gây ra một căn
bệnh cụ thể.
Ảnh chụp vi khuẩn Bacillus anthracis ban đầu của Robert Koch. Năm 1876,
Koch xác định bằng kính hiển vi cẩn thận rằng vi khuẩn này ln hiện diện trong

máu của động vật chết vì bệnh than. Anh ta lấy một lượng nhỏ máu từ một con
vật như vậy và tiêm nó vào một con chuột khỏe mạnh, sau đó nó bị bệnh và chết.
Ơng đã có thể khơi phục sinh vật gây bệnh than ban đầu từ con chuột chết, lần
đầu tiên chứng minh rằng một loại vi khuẩn cụ thể là nguyên nhân của một căn
bệnh cụ thể.
Bacillus vẫn còn nguyên vẹn cho đến năm 2004, khi nó được tách thành một
số họ và chi của vi khuẩn hình thành nội bào tử, có thể được xác minh dựa trên
phân tích ssRNA. Để phù hợp với các thành viên cũ của chi Bacillus được đề cập
trong chương này, tiêu đề của nó đã được đổi thành “Vi khuẩn tạo nội bào tử
Gram dương hoặc hiếu khí ".
Đặc điểm thống nhất của những vi khuẩn này là chúng Gram dương, hình
thành nội bào tử và phát triển khi có O 2. Cái tên tầm thường được gán cho chúng
là máy sinh bào tử hiếu khí.

3


Sự phổ biến và đa dạng của các vi khuẩn này trong tự nhiên, khả năng kháng
bất thường của nội bào tử của chúng đối với các tác nhân hóa học và vật lý, chu
kỳ phát triển của quá trình hình thành nội bào tử, sản xuất kháng sinh, độc tính
của bào tử và tinh thể protein của chúng đối với nhiều lồi cơn trùng, và vi khuẩn
gây bệnh Bacillus anthracis, đã thu hút sự quan tâm không ngừng đối với những
vi khuẩn này kể từ đó và những khám phá của Cohn và Koch vào những năm
1870.
Có sự đa dạng lớn về sinh lý học giữa các bào tử hiếu khí, khơng có gì đáng
ngạc nhiên khi xem xét sự đa dạng phát sinh loài mới được phát hiện gần đây của
chúng. Các đặc điểm chung của chúng bao gồm sự suy thối của hầu hết các chất
nền có nguồn gốc từ thực vật và động vật, bao gồm xenlulo, tinh bột, pectin,
protein, agar, hydrocacbon và những chất khác; sản xuất kháng sinh; q trình
nitrat hóa; khử nitơ; cố định đạm; rối loạn sinh sắc tố; tự dưỡng; ưa axit;

alkaliphily; psychrophily; ưa nhiệt; và chủ nghĩa ký sinh. Sự hình thành nội bào
tử, được tìm thấy phổ biến trong nhóm, được cho là một chiến lược để tồn tại
trong mơi trường đất, trong đó những vi khuẩn này chiếm ưu thế.
Trực khuẩn coagulans. Nhuộm Gram. CDC. Gram dương hay Gram âm? Cấu
trúc thành tế bào của vi khuẩn hình thành nội bào tử phù hợp với cấu trúc của vi
khuẩn Gram dương, và các mẫu cấy non nhuộm màu như mong đợi. Tuy nhiên,
nhiều bào tử biến đổi nhanh chóng trở nên Gram âm khi bước vào giai đoạn tăng
trưởng tĩnh.
1.1.2.Phân loại và phát sinh loài
Những nỗ lực ban đầu trong việc phân loại các loài Bacillus dựa trên hai
đặc điểm: sinh trưởng hiếu khí và hình thành nội bào tử. Điều này dẫn đến việc
kết dính nhiều vi khuẩn với nhau sở hữu các loại sinh lý khác nhau và chiếm nhiều
mơi trường sống. Do đó, sự khơng đồng nhất về sinh lý học, sinh thái học và di
truyền học, gây khó khăn cho việc phân loại Bacillus hoặc đưa ra những khái quát
về nó.

4


Trong Sổ tay về vi khuẩn có hệ thống của Bergey (xuất bản lần 1 năm 1986),
hàm lượng G + C của các loài Bacillus đã biết nằm trong khoảng từ 32 đến 69%.
Quan sát này, cũng như các xét nghiệm lai DNA, đã tiết lộ sự không đồng nhất về
di truyền của chi. Khơng chỉ có sự khác biệt giữa các lồi, mà đơi khi có sự khác
biệt sâu sắc về hàm lượng G + C trong các chủng của một lồi. Ví dụ, hàm lượng
G + C của nhóm Bacillus megaterium dao động từ 36 đến 45%.
Trong Sổ tay hướng dẫn về vi khuẩn có hệ thống của Bergey (xuất bản lần
thứ 2 năm 2004), các sơ đồ phân loại phát sinh loài đã đưa ra hai loại vi khuẩn
hình thành nội bào tử nổi bật nhất, clostridia và trực khuẩn, trong hai loại
Firmicutes khác nhau, Clostridia và Bacilli. Clostridia bao gồm Bộ Clostridiales
và Họ Clostridiaceae với 11 chi trong đó có Clostridium. Bacilli bao gồm

Bacillales bậc và họ Bacillaceae. Trong họ này có 37 chi mới ngang hàng với
Bacillus. Điều này giải thích sự khơng đồng nhất về hàm lượng G + C được quan
sát thấy ở chi Bacillus năm 1986.
Phương pháp tiếp cận phát sinh loài đối với phân loại Bacillus phần lớn đã
được thực hiện bằng cách phân tích các phân tử rRNA 16S bằng giải trình tự
oligonucleotide. Kỹ thuật này, tất nhiên, cũng cho thấy các mối quan hệ phát sinh
loài. Đáng ngạc nhiên là các loài Bacillus cho thấy mối quan hệ họ hàng với một
số lồi khơng định hình nhất định, bao gồm Enterococcus, LactoBacillus và
Streptococcus ở cấp độ Bộ, và Listeria và Staphylococcus ở cấp độ Gia đình. Mặt
khác, một số thành viên cũ của chi Bacillus đã được tập hợp lại thành các Họ mới,
bao gồm Acyclobacillaceae, Họ Paenibacillaceae và Planococcaceae, nay ngang
hàng với Bacillaceae. Hầu hết các vi khuẩn được thảo luận trong bài viết này đến
từ một trong bốn Họ này. Hệ thống phân loại của họ (Bergey's 2004) là Vương
quốc: Vi khuẩn; Phylum: Firmicutes; Lớp: Trực khuẩn; Đặt hàng: Bacillales; Họ:
Acyclobacillaceae (chi: AcycloBacillus); Họ: Bacillaceae (chi: Bacillus,
GeoBacillus); Họ: Paenibacillaceae (chi: PaeniBacillus, BreviBacillus); Họ:
Planococcaceae (chi: Sporosarcina).

5


Bảng 1. 1. Sự phân chia lại phân loại trong Bacillus (1986-2004).
Bergey's Manual of Systematic

Bergey's Manual of Systematic

Bacteriology (xuất bản lần 1 năm

Bacteriology (xuất bản lần thứ 2

1986)

năm 2004),

Bacillus acidocalderius

AcycloBacillus acidocalderius

Bacillus agri

BreviBacillus agri

Bacillus alginolyticus

PaeniBacillus alginolyticus

Bacillus amylolyticus

PaeniBacillus amylolyticus

Bacillus alvei

PaeniBacillus alvei

Bacillus azotofixans

PaeniBacillus azotofixans

Bacillus brevis

BreviBacillus brevis

Bacillus globisporus

Sporosarcina globisporus

Ấu trùng trực khuẩn

Ấu trùng PaeniBacillus

Bacillus laterosporus

BreviBacillus laterosporus

Bacillus lentimorbus

PaeniBacillus lentimorbus

Bacillus macerans

PaeniBacillus macerans

Bacillus pasteurii

Sporosarcina pasteurii

Bacillus polymyxa

PaeniBacillus polymyxa

Bacillus popilliae

PaeniBacillus popilliae

Bacillus psychrophilus

Sporosarcina psychrophilia

Bacillus stearothermophilus

GeoBacillus stearothermophilus

Bacillus thermodenitrificans

GeoBacillus thermodenitrificans

1.1.3.Cấu trúc bề mặt của Bacillus
Giống như hầu hết các vi khuẩn Gram dương, bề mặt của Bacillus rất phức
tạp và có liên quan đến các đặc tính của chúng là tuân thủ, đề kháng và phản ứng
chiến thuật. Bề mặt tế bào sinh dưỡng là một cấu trúc nhiều lớp bao gồm một viên

6


nang, một lớp bề mặt protein (lớp S), một số lớp tấm peptidoglycan và các protein
ở bề mặt ngoài của màng sinh chất.
Các lớp bề mặt tinh thể của tiểu đơn vị protein hoặc glycoprotein, được gọi
là lớp S, được tìm thấy trong các thành viên của chi Bacillus. Cũng như các lớp S
của các vi khuẩn khác, chức năng của chúng ở Bacillus vẫn chưa được biết rõ,
nhưng chúng được cho là có liên quan đến sự tuân thủ. Người ta đã chứng minh

rằng lớp S có thể che đậy vật lý tấm peptidoglycan tích điện âm ở một số vi khuẩn
Gram dương và ngăn chặn quá trình tự ngưng kết. Người ta cũng đề xuất rằng lớp
này có thể đóng một số vai trị trong tương tác giữa vi khuẩn và kim loại.
1.1.4.Thành tế bào
Sự biến đổi cấu trúc thành tế bào thường gặp ở nhiều vi khuẩn Gram dương
không xảy ra ở chi Bacillus. Thành tế bào sinh dưỡng của hầu hết các loài Bacillus
được tạo thành từ một peptidoglycan chứa axit meso-diaminopimelic (DAP).
(Thành tế bào của Sporosarcina pasteurii và S. globisporus, chứa lysine ở vị trí
của DAP.) Đây là cùng một loại polyme thành tế bào gần như phổ biến ở vi khuẩn
Gram âm, tức là, chứa DAP như axit diamino ở vị trí 3 của tetrapeptit. Trong một
số trường hợp, DAP được liên kết chéo trực tiếp với D-alanin, giống như trongHọ
Enterobacteriaceae; trong những trường hợp khác, hai chuỗi bên tetrapeptit của
peptidoglycan được kéo dài bởi một cầu nối interpeptit giữa DAP và D-alanin,
đây là đặc điểm của hầu hết các vi khuẩn Gram dương.
Ngoài peptidoglycan trong thành tế bào, tất cả các loài Bacillus đều chứa
một lượng lớn axit teichoic được liên kết với dư lượng axit muramic. Các loại axit
teichoic glycerol rất khác nhau giữa các loài Bacillus và trong các loài. Như ở
nhiều vi khuẩn Gram dương khác, axit lipoteichoic được tìm thấy liên kết với
màng tế bào của các loài Bacillus. Những hợp chất này được cho là tham gia vào
quá trình tổng hợp thành axit teichoic, là chất điều hịa hoạt động tự phân và là
chất xác định các ion hóa trị hai đối với vi khuẩn.

7


Cấu trúc của tiểu đơn vị muropeptide của peptidoglycan củaTrực khuẩn
megaterium. Ở hầu hết các lồi Bacillus, khơng có cầu nối interpeptit kết nối Dalanin với axit meso-diaminopimelic (DAP). Ngoài ra, tất cả các bào tử Bacillus
đều chứa loại tiểu đơn vị axit muramic này trong vỏ bào tử.
1.1.5. Di truyền
Việc phát hiện ra sự biến nạp ở một dòng Bacillus subtilis vào năm 1958,

tập trung sự chú ý vào di truyền của vi khuẩn. Đây là một trong số tương đối ít vi
khuẩn mà khả năng hấp thụ DNA được phát hiện là một phần tự nhiên trong vòng
đời của vi khuẩn. Sau đó, sự tải nạp tổng quát và chuyên biệt đã được quan sát
thấy ở B. subtilis, và kiến thức về di truyền và tổ chức nhiễm sắc thể của vi khuẩn
này nhanh chóng trở thành thứ hai chỉ sau vi khuẩn đường ruột. Hơn nữa, việc
xác định nhiều gen ảnh hưởng đến sự hình thành bào tử ở B. subtilis đã cung cấp
một phương tiện để phân tích chương trình phát triển phức tạp của bào tử.
Các vi khuẩn có khả năng trung gian truyền tải tổng quát cũng đã được báo cáo ở
các loài Bacillus khác, bao gồm B. cereus, B. megaterium, B. thuringiensis, B.
anthracis và GeoBacillus stearothermophilus.
Plasmid liên hợp là những plasmid có khả năng tự chuyển từ vi khuẩn này
sang vi khuẩn khác. Chúng đã được mơ tả ở một số lồi Bacillus. Khả năng tạo ra
protein tinh thể độc tố delta diệt cơn trùng ở B. thuringiensis được mã hóa trong
các plasmid lớn. Những plasmid này có thể được chuyển sang các chủng B.
thuringiensis thiếu plasmid, cũng như B. cereus, để mang lại những người nhận
tạo ra protein tinh thể. B. thuringiensis chuyển plasmid pXO11 và pXO12 cho B.
anthracis và B. cereus. Những người nhận, đến lượt nó, trở thành những người
hiến tặng hiệu quả, và trong trường hợp những người thừa hưởng pXO12, cũng
có khả năng tạo ra các tinh thể parasporal. Các chủng B. anthracis thu nhận
plasmid pXO12 sau đó có thể huy động và chuyển các plasmid khơng liên hợp có
trong cùng một tế bào. Plasmid của độc tố B. anthracis, pXO1, và plasmid dạng

8


nang, pXO2, có thể được chuyển sang người nhận B. anthracis và B. cereus thiếu
các plasmid này.
Các plasmid lớn của B. anthracis rõ ràng được chuyển bằng một quá trình
gọi là dẫn truyền. Điều này liên quan đến việc hình thành các phân tử đồng liên
kết ở người cho và phân giải các phân tử đồng liên kết thành pXO12 và plasmid

B. anthracis tương ứng ở người nhận. Tiếp xúc giữa tế bào với tế bào là cần thiết
để chuyển plasmid và có khả năng chống lại DNase, nhưng ít người biết về cơ chế
hoặc cấu trúc liên hợp có thể liên quan. Khơng có plasmid tiếp hợp nào được tìm
thấy để huy động và chuyển các dấu hiệu nhiễm sắc thể như được quan sát thấy ở
plasmid F của E. coli.
Ngồi các plasmid có thể truyền qua tự nhiên của Bacillus, một transposon
liên hợp (Tn925) đã được xác định, chuyển từ Enterococcus faecalis sang B.
subtilis.
Sự hiểu biết của chúng ta về bộ gen của Bacillus, và các phương tiện chuyển
DNA của chúng, đã dẫn đến việc thao túng nó. Cho đến nay, điều này đã dẫn đến
nhiều thành tựu về y tế, nông nghiệp và công nghiệp, liên quan đến việc sử dụng
sinh vật hoặc các sản phẩm của nó.
1.2. Khai thác bộ gene của Bacillus
1.2.1. Khai thác bộ gene
Khai thác bộ gen hóa ra là một cách đầy hứa hẹn đối với việc phát hiện các
hợp chất tự nhiên và xem xét các cụm tổng hợp khó hiểu vì lượng dữ liệu phong
phú sắp xảy ra từ thơng tin phân tích sắp xếp bộ gen. Sử dụng các kỹ thuật tin sinh
học và các biến thể trong hạn chế nuôi cấy, Scherlach và Hertweck (Scherlach và
Hertweck, 2006) đã phát hiện ra các chất chuyển hóa mới aspoquinolones A – D.
Tin sinh học cũng đã mở rộng tầm nhìn để cho phép ước tính chính xác các nhân
tố chính trong các ngõ ngách liên quan đến NRPS hoặc PKS cũng như xem xét
chất nền mục tiêu và sở hữu hóa lý của sản phẩm kết cuối (Brakhage và
Schroeckh, 2011). Phương pháp tiếp cận dị ứng gen kết hợp kiểm tra định dạng

9


sinh học về sự sắp xếp bộ gen và phân đoạn theo hướng đồng vị đã được sử dụng
để xác định các sản phẩm cuối có thể có của các cụm gen mồ côi. Zerikly và
Challis (Zerikly và Challis, 2009) đã đề xuất một phương pháp hoàn nguyên trong

ống nghiệm để ước tính chất nền trong các con đường tổng hợp khó hiểu bằng
cách ủ chất xúc tác sinh tổng hợp tái tổ hợp từ các cụm gen với chất nền đã được
báo trước để nhận ra các sản phẩm protein. Những cách tiếp cận này ít liên quan
đến việc xử lý di truyền hơn và hỗ trợ trong việc phân biệt các SM đã thấy trước
từ các hỗn hợp mang các sở hữu sinh lý tương đương.
1.2.2. Vai trò của tin sinh học trong việc khám phá sản phẩm tự nhiên bằng
cách khai thác bộ gene.
Khai thác bộ gen hồn tồn phụ thuộc vào cơng nghệ máy tính và các công
cụ tin sinh học. Cho đến nay, một lượng lớn dữ liệu, được thể hiện bằng trình tự
DNA và các chú thích của chúng, đã được lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu có thể
truy cập cơng khai. Việc lưu trữ và xử lý các tài nguyên ngày càng mở rộng này
phụ thuộc vào sự phát triển không ngừng của máy tính và mạng kết nối chúng với
nhau. Thật vậy, bộ gen hoàn chỉnh của một prokaryote đơn lẻ được mơ tả bằng
một trình tự duy nhất của bốn nucleotide (A, T, C, và G) được tạo thành từ tối
thiểu khoảng 500 000 bp (đối với sinh vật cộng sinh) lên đến hơn 10 000 000 bp
(đối với vi sinh vật hoại sinh). Khi tất cả các CDS trong trình tự gen đã được xác
định, chúng có thể được so sánh với các protein mã hóa CDS có chức năng đã biết
trong cơ sở dữ liệu công khai. Vì trình tự của nhiều CDS mã hóa các enzym đặc
trưng tham gia vào quá trình sinh tổng hợp sản phẩm tự nhiên được lưu trữ trong
các cơ sở dữ liệu này, nên tương đối đơn giản để xác định phần lớn các cụm gen
sinh tổng hợp sản phẩm tự nhiên giả định trong trình tự bộ gen vi sinh vật bằng
cách so sánh trình tự như vậy. Cả dữ liệu bộ gen thơ và có chú thích, cũng như
các cơng cụ tin sinh học, để so sánh trình tự đều có sẵn miễn phí thơng qua World
Wide Web. Giờ đây, điều kiện tiên quyết xuất bản bắt buộc của hầu hết các tạp
chí khoa học là trình tự dữ liệu từ bất kỳ nghiên cứu nào liên quan đến trình tự

10


DNA mới được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu có thể truy cập cơng khai như

GenBank. Các cơng cụ tin sinh học có sẵn miễn
phí bao gồm các chương trình ClustalX giúp sắp xếp
nhiều trình tự DNA hoặc protein với nhau; và cơng cụ tìm kiếm và căn chỉnh cục
bộ cơ bản (BLAST: tìm các vùng có sự tương
đồng cục bộ giữa trình tự DNA và protein. Các cơng cụ này cho phép phân tích
so sánh, khơng chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc suy luận các mối quan hệ chức
năng giữa gen và protein mà cịn làm cơ sở cho việc dự đốn tính đặc hiệu của cơ
chất, tính đặc hiệu nổi và các đặc tính xúc tác khác của các enzym sinh tổng hợp.
Việc sử dụng các phân tích trình tự so sánh trong cả hai bối cảnh này sẽ được thảo
luận trong các phần sau.
1.3. Về ứng dụng tin sinh học
Tin sinh học (bioinformatics) là một lĩnh vực khoa học sử dụng các cơng
nghệ của các ngành tốn học ứng dụng, tin học, thống kê, khoa học máy tính, trí
tuệ nhân tạo, hóa học và hóa sinh (biochemistry) để giải quyết các vấn đề sinh
học. Một thuật ngữ thường được dùng thay thế cho tin sinh học là sinh học tính
tốn (computational biology). Tuy nhiên, tin sinh học thiên về việc phát triển các
giải thuật, lý thuyết và các kĩ thuật thống kê và tính tốn để giải quyết các bài tốn
bắt nguồn từ nhu cầu quản lý và phân tích dữ liệu sinh học. Trong khi đó, sinh
học tính tốn thiên về kiểm định các giả thuyết (hypothesis) được đặt ra của một
vấn đề trong sinh học nhờ máy tính thực nghiệm trên dữ liệu mơ phỏng, với mục
đích chính là phát hiện và nâng cao tri thức về sinh học.
Các công cụ chính của tin sinh học là phần mềm máy tính và một loạt các
trang web trong mạng internet. Tin sinh học có thể được ứng dụng trong việc xác
định, phân tích và xuất thơng tin cần thiết của tồn bộ bộ gen. Chúng cũng hữu
ích cho việc nghiên cứu và tìm kiếm thơng tin về thuốc kháng sinh sản xuất mà
tổng hợp bởi sinh vật. Do đó, điều này có thể giúp khoa học có thành tựu về khám
phá kháng sinh và phát triển thuốc.

11

1.3.1. Một số ứng dụng của tin sinh học
Từ Di truyền học và Độc chất học cho đến Sinh học phóng xạ, có rất nhiều
ngành thuộc chuyên ngành Sinh học. Và trong số rất nhiều ngành, Tin sinh học là
một trong những lĩnh vực hấp dẫn cho phép bạn xác định, đánh giá, lưu trữ và
truy xuất thông tin sinh học. Là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, nó kết hợp
nhiều khía cạnh khác nhau của Khoa học Máy tính, Thống kê và Sinh học để phát
triển các ứng dụng phần mềm để hiểu dữ liệu sinh học như giải trình tự DNA,
phân tích protein, di truyền tiến hóa, v.v. Khơng chỉ giới hạn trong Y học, mà cịn
phạm vi Tin sinh học được phổ biến trên Hệ gen vi sinh vật cũng như trong lĩnh
vực Nông nghiệp.
Ứng dụng của Tin sinh học trong Y học
Dược phẩm: Các nhà nghiên cứu tin sinh học đã đóng một vai trị quan
trọng trong nghiên cứu dược phẩm, đặc biệt là đối với các bệnh truyền nhiễm.
Hơn nữa, tin sinh học cũng đã đổi mới nghiên cứu y học được cá nhân hóa, do đó
mang lại những khám phá mới về các loại thuốc có thể được cá nhân hóa theo
kiểu gen của một người nào đó.
Phịng ngừa: Cũng giống như dược phẩm, tin sinh học có thể được kết hợp với
dịch tễ học để tạo ra y tế dự phòng bằng cách tìm hiểu nguyên nhân của các vấn đề
sức khỏe, cơ sở hạ tầng chăm sóc sức khỏe cộng đồng, mơ hình bệnh tật, v.v.
Trị liệu: Tin sinh học cũng có thể hữu ích cho liệu pháp gen, đặc biệt là đối với
các gen riêng lẻ đã bị ảnh hưởng xấu. Ứng dụng của tin sinh học này đã được nghiên
cứu bởi các nhà khoa học di truyền học, những người đã phát hiện ra rằng hồ sơ di
truyền của một người nào đó có thể tốt hơn với sự trợ giúp của tin sinh học.
Sử dụng tin sinh học
Tin sinh học là sự kết hợp của Khoa học Máy tính, Thống kê và Sinh học
và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ khoa học thú y đến cải tiến
cây trồng. Hãy cùng chúng tôi khám phá một số ứng dụng của tin sinh học chuyên
sâu trong các lĩnh vực khác nhau:

12


Nghiên cứu chế tạo thuốc
Khám phá thuốc là một trong những ứng dụng chính của Tin sinh học. Sinh
học tính toán, một yếu tố thiết yếu của tin sinh học giúp các nhà khoa học phân
tích q trình cơ chế bệnh tật và xác nhận các loại thuốc mới và hiệu quả về chi
phí. Nếu chúng ta xem xét sự bùng phát COVID 19, thì tin sinh học có thể được
sử dụng một cách hiệu quả để sản xuất một loại thuốc hiệu quả với chi phí thấp.
Khoa học thú y
Quá trình nghiên cứu trong Khoa học Thú y đã đạt được trình độ nâng cao
với sự trợ giúp của Tin sinh học. Trong lĩnh vực này, ứng dụng của phạm vi Tin
sinh học đặc biệt tập trung vào các dự án giải trình tự các động vật bao gồm bò,
lợn và cừu. Điều này đã dẫn đến sự phát triển về sản xuất nói chung cũng như sức
khoẻ của vật nuôi. Hơn nữa, Tin sinh học đã giúp các nhà khoa học khám phá ra
các công cụ mới để xác định mục tiêu vắc xin.
Cải tiến cây trồng
Một ứng dụng quan trọng khác của tin sinh học là cải tiến cây trồng. Nó sử
dụng hiệu quả các chất đạm, chuyển hóa, di truyền và sản xuất cây trồng nơng
nghiệp để phát triển các loại cây trồng mạnh, chịu hạn và chống cơn trùng tốt hơn.
Từ đó nâng cao chất lượng vật nuôi và làm cho chúng kháng bệnh.
Liệu pháp gen
Một nhánh phổ biến của Sinh học, Liệu pháp gen là một q trình mà qua đó
các vật liệu di truyền được kết hợp vào các tế bào không lành mạnh để điều trị,
chữa bệnh cũng như ngăn ngừa bệnh tật. Phân tích mục tiêu protein, xác định loại
ung thư, đánh giá dữ liệu, đánh giá MicroRNA, v.v. là một số ứng dụng của Tin
sinh học trong Liệu pháp gen.
Công nghệ sinh học
Đối với những người muốn lập nghiệp trong ngành Cơng nghệ sinh học phải
biết rằng có rất nhiều ứng dụng của Tin sinh học trong lĩnh vực này. Ngồi việc

hiểu về gen và bộ gen, các cơng cụ và chương trình tin học sinh học được sử dụng

13


để so sánh sự liên kết của cặp gen nhằm xác định các chức năng của gen và bộ
gen. Hơn nữa, nó cũng được sử dụng trong mơ hình phân tử, lắp ghép, chú thích
và động, v.v.
Làm sạch chất thải
Một ứng dụng quan trọng khác của tin sinh học là làm sạch chất thải. Ở đây,
mục tiêu chính là xác định và đánh giá trình tự DNA của vi khuẩn và vi sinh để
sử dụng chúng để làm sạch nước thải, loại bỏ chất thải phóng xạ, làm sạch dầu
tràn, v.v. Bạn có biết rằng theo sách kỷ lục Guinness thế giới, Bacterium
Deinococcus Radiodurans được coi là vi khuẩn khó nhất thế giới?
Bộ gen vi sinh vật
Bộ gen vi sinh vật bao gồm tất cả các vật chất di truyền bao gồm các thành
phần nhiễm sắc thể và ngoài nhiễm sắc thể của vi khuẩn và sinh vật nhân thực.
Và khi nói đến ứng dụng của Tin sinh học, đây là một lĩnh vực quan trọng. Ngoài
việc đánh giá sự lắp ráp bộ gen, các công cụ Tin học sinh học cũng giúp tiến hành
giải trình tự DNA để ứng dụng trong các lĩnh vực bao gồm sức khỏe và năng
lượng.
Nghiên cứu tiến hóa
Một trong những nhà khoa học vĩ đại của Mỹ, Theodosius Dobzhansky đã
nói rất đúng, “Khơng có gì trong sinh học có ý nghĩa ngoại trừ ánh sáng của sự
tiến hóa." Để hiểu được các vấn đề sinh học và cải thiện chất lượng cuộc sống,
các nghiên cứu về tiến hóa đóng một vai trị quyết định. Thơng qua tin sinh học,
người ta có thể so sánh dữ liệu bộ gen của các loài khác nhau và xác định họ, chức
năng và đặc điểm của chúng.
Công cụ tin sinh học
Các công cụ thông tin sinh học đã giúp khám phá ra thuốc, khoa học thú y,

cải tiến cây trồng, pháp y nhiều lĩnh vực hơn nữa. Các cơng cụ tin sinh học khác
nhau có các ứng dụng riêng của chúng. Các ứng dụng tin sinh học bao gồm phân

14


tích trình tự, mơ hình phân tử, động lực học phân tử, v.v. Dưới đây là danh sách
tên của các công cụ tin sinh học cho các ứng dụng khác nhau:
geWorkbench
BLAST
BioPerl
InterMine
Công cụ tin học sinh học Biojava dành cho Linux
Công cụ giải trình tự gen IGV
GROMACS
Bàn làm việc Taverna
Clustal Omega
1.3.2. Hướng đi trong tương lai
Các doanh nghiệp thương mại nổi tiếng như công ty dược phẩm cần những
người chuyên nghiệp về tin sinh học để vận hành và bảo trì các cơng trình phức
tạp nhu cầu tin sinh học. Các phịng thí nghiệm y sinh có thể sớm có nội bộ của
riêng họ nhà thơng tin sinh học vì sự phát triển của cơ sở hạ tầng và thiết bị hiện
đại với sự trợ giúp của các chuyên gia tin sinh học. Tin sinh học tạo ra các mạng
máy tính đã cho phép dễ dàng truy cập dữ liệu sinh học và khai thác cho các mục
đích cụ thể. Tin sinh học sẽ hướng dẫn và giúp các nhà sinh học phân tử và các
nhà nghiên cứu lâm sàng khai thác thông tin về những lợi thế do sinh học tính
tốn mang lại (Si-Yao Zhang và Shu-Lin Liu, và cộng sự, 2015).

15