Phân tích hệ genome chủng streptomyces sp m2

HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
---------------------------------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH HỆ GENOME
CHỦNG Streptomyces sp. M2

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 Streptomyces sp. M2

Sinh viên thực hiện : HỒNG NHƯ HƠN
Khóa : 63
Ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Giảng viên hướng dẫn : TS. ĐINH TRƯỜNG SƠN

HÀ NỘI - 2022

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp đại học: “PHÂN TÍCH HỆ
GENOME CHỦNG Streptomyces sp. M2” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn
và giám sát của TS. Đinh Trường Sơn 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 luận án, tôi đã được thừa hưởng
những thành quả của các nhà khoa học đi trước với lịng kính trọng và biết ơn.
Hà Nội ngày 11, tháng 07, năm 2022
Sinh viên

Hoàng Như Hơn

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Đinh Trường Sơn 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
Thực 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 khóa
luận.
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 07, năm 2022
Sinh viên

Hoàng Như Hơn

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC… ................................................................................................................. iii
CHỮ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ........................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................vii
TĨM TẮT …................................................................................................................... 1
ĐẶT VẤN ĐỀ …. .......................................................................................................... 2
Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................ 4
1.1. Giới thiệu về Streptomyces ..................................................................................................... 4
1.1.1. Đặc điểm của Streptomyces ............................................................................ 4
1.1.2. Các hợp chất thứ cấp của Streptomyces ........................................................... 5
1.1.3. Thuốc kháng sinh từ các chất chuyển hóa của Streptomyces. ............................ 7
1.2. Khai thác bộ gene của Streptomyces ...................................................................................... 9
1.2.1. Vai trò của tin sinh học trong việc khám phá sản phẩm tự nhiên bằng cách khai
thác bộ gene. ........................................................................................................... 9
1.2.2. Phương pháp khai thác bộ gene ..................................................................... 10
1.3. Về ứng dụng tin sinh học ...................................................................................................... 14
1.3.1. Tin sinh học và tác động của nó đối với hệ gene.............................................................. 14
1.3.2. Một số ứng dụng của tin sinh học...................................................................................... 15

1.3.3. Hướng đi trong tương lai.................................................................................................... 16
Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................... 17
2.1. Vật liệu….. ............................................................................................................................. 17
2.2. Thiết bị nghiên cứu ................................................................................................................ 20
2.3. Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ............................................................. 20
2.3.1. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 21
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 21

iii


Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 29
3.1. Mối quan hệ của Streptomyces sp. M2 với 9 chủng liên quan ........................................... 29
3.2. Dự đốn trình tự các gene có trong Streptomyces sp. M2 .................................................. 31
3.3. Chú thích bộ gen, phân tích chức năng của Streptomyces sp. M2 ..................................... 31
3.4. Các cụm gene sinh tổng hợp cho các hợp chất thứ cấp của Streptomyces sp. M2 ........... 48
3.5. Con đường sinh tổng hợp hợp chất thứ cấp Azinomycin B ở Streptomyces sp. M2........ 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57
PHỤ LỤC…. ................................................................................................................. 59

iv


CHỮ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
antiSMASH

COGs

Antibiotics & Secondary Metabolite Analysis Shell

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

CDSs

Coding DNA Sequence (trình tự DNA mã hố)

GBDP

Genome BLAST Distance Phylogeny
(cây phát sinh chủng loại dựa trên so sánh bộ genome hoặc
một phần của bộ genome)
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 lồi.
Kyoto Encyclopedia of Gene and Genomes
(Bách khoa toàn thư Kyoto về Genes và Genomes)
Non-ribosomal peptide synthetases
(Peptide được sinh tổng hợp không phụ thuộc vào ribosome)

Polyketide synthases
(Enzyme sinh tổng hợp polyketides)
The Type (Strain) Genome Server
(Server về hệ genome của sinh vật tiền nhân)
single molecule sequencing
(Kỹ thuật giải trình tự với 1 phân tử DNA)

ARTS
BGCs
BLAST
Local BLAST
CAZyme

GO

KEGG
NRPSs
PKSs
TYGS
SMS

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Danh sách một số kháng sinh do Streptomyces sp. tạo ra 8
Bảng 1.2. Các nghiên cứu khai thác bộ gene hiện tại trên các loài Streptomyces 12
Bảng 2.1. Đặc điểm bộ gene của Streptomyces sp. M2 được cung cấp bởi NCBI,
EZBioCloud 18
Bảng 2.2. Danh sách 9 chủng Streptomyces liên quan. 23

Bảng 3.1. Danh sách Streptomyces sp. M2 và các chủng Streptomyces liên quan. 29
Bảng 3.2. Bảng chi tiết phân bố loài của Streptomyces sp. M2 35
Bảng 3.3. Phân bố loài Top- Hit của Streptomyces sp. M2 37
Bảng 3.4. GO – Level Distribution cho Streptomyces sp. M2 39
Bảng 3.5. Các danh mục bản thể học gen sau khi phân tích Blast2GO 41
Bảng 3. 6. Danh sách các hợp chất thứ cấp giả định tạo ra các cụm sinh tổng hợp như
dự đoán của antiSMASH phiên bản 6.0.1 49
Bảng 3.7. Giá trị trung bình (%) tương tự của các gen sinh tổng hợp Azinomycin B với
các gen của chủng Streptomyces sp. M2 54

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Trình tự hệ gene của Streptomyces sp. M2 sẽ được truy xuất từ NCBI 17
Hình 2.2. Đặc điểm bộ gene của Streptomyces sp. M2 do EZBioCloud cung cấp 18
Hình 2.3. Đặc điểm bộ gene của Streptomyces sp. M2 được cung cấp bởi ARTS 19
Hình 2.4. Bản đồ hình trịn của hệ gene Streptomyces sp. M2 19
Hình 2.5. Sơ đồ các bước để phân tích hệ gene của chủng Streptomyces sp. M2 20
Hình 2.6. Trang chủ The Type (Strain) Genome Server (TYGS) 22
Hình 2.7. Giao diện của cơng cụ antiSMASH 24
Hình 2.8. Giao diện tại trang chủ của ARTS 26
Hình 2.9. Biểu diễn giản đồ của ứng dụng Blast2GO. 27
Hình 3.1. Mối quan hệ của Streptomyces sp. M2 với 9 chủng liên quan 30
Hình 3.2. Đặc điểm bộ gene của Streptomyces sp.M2 được cung cấp bởi GeneMark 31
Hình 3.3. Tổng quan về kết quả chú thích chức năng Blast2GO của Streptomyces sp.
M2 32
Hình 3.4. Biểu đồ kích thước các gene của chủng Streptomyces sp. M2 33
Hình 3.5. Phân bố độ tương đồng của trình tự 33
Hình 3.6. Mức độ tương đồng của chủng đang nghiên cứu với các chủng liên quan 34

Hình 3.7. Biểu đồ phân bố lồi Top- Hit của Streptomyces sp. M2 36
Hình 3.8. Biểu đồ kết quả InterProScan 38
Hình 3.9. Biểu đồ GO – Level Distribution cho Streptomyces sp. M2 39
Hình 3.10. Danh mục các biểu đồ tròn Streptomyces sp. M2 từ Blast2GO (GO). 43
Hình 3.11. Chú thích q trình sinh học của Streptomyces sp. M2 44
Hình 3.12. Chú thích chức năng phân tử của Streptomyces sp. M2 46
Hình 3.13. Chú thích thành phần tế bào của Streptomyces sp. M2 47
Hình 3.14. Kết quả phân tích các cụm gen giả định cho quá trình sinh tổng hợp các
hợp chất thứ cấp trong Streptomyces sp. M2 bởi antiSMASH 49
Hình 3.15. Cụm 11 trong antiSMASH 51
Hình 3.16. Cụm gen sinh tổng hợp Azinomycin B từ Streptomyces Sahachiroi 52

vii


Hình 3.17. Con đường sinh tổng hợp được đề xuất của Azinomycin B từ Streptomyces
sahachiroi 53
Hình 3.18. Kết quả Local blast về trình tự tương đồng của con đường sinh tổng hợp
của Azinomycin B ở chủng Streptomyces sp. M2 54

viii


TĨM TẮT
Vi khuẩn Streptomyces được cơng nhận là một nguồn quan trọng cho
kháng sinh với ứng dụng rộng rãi trong y học con người và sức khỏe động vật.
Trong nghiên cứu này, một bộ gene của chủng vi khuẩn Streptomyces sp. M2 đã
được sử dụng để phân tích q trình sinh tổng hợp cũng như tìm kiếm các hợp
chất tiềm năng. Phân tích bộ gen của chủng này đã cho thấy có 26 cụm gen sinh
tổng hợp giả định (BGC: Biosynthetic gene clusters) cho các chất chuyển hóa

thứ cấp, cho thấy sự tương đồng với các cụm gene đối với những chất kháng
khuẩn, chống ung thư, kháng nấm, chống ký sinh trùng, hoặc các hợp chất
chống virus. Sự đa dạng về cấu trúc của các chất chuyển hóa thứ cấp được dự
đoán cho chủng Streptomyces sp. M2 bao gồm: PKS (polyketide synthase)
T1PKS, T3PKS, NRPS (enzym tổng hợp peptide không phải ribosome), T1
PKS-NRPS,

T3

PKS-NRPS,

terpene,

bacteriocin,

NRPS-bacteriocin,

siderophore, ectoine, lantipeptit và các cụm khác được mã hóa bằng bộ gen
Streptomyces sp. M2. Các nghiên cứu về một số cụm này đã dẫn đến việc xác
định các hợp chất mới và các hợp chất đã biết trước đây nhưng khơng bao giờ
được đặc trưng ở lồi Streptomyces. Trình tự BGC của chủng Streptomyces sp.
M2 có mức độ tương đồng thấp với các BGC đã biết cho thấy tính mới có thể có
ở chủng này. Khố luận cũng phân tích cụm gene sinh tổng hợp Azinomycin B,
một loại kháng sinh chống ung thư ethylenimine. Nghiên cứu này cho thấy sức
mạnh của phân tích bộ gene để có được cái nhìn sâu sắc về sự tiến hóa của vi
sinh vật mang lại rất nhiều lợi ích thiết thực.

1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Streptomyces được biết đến là thành viên lớn nhất cung cấp dồi dào các
chất kháng sinh với ứng dụng rộng rãi trong y học, môi trường, công nghiệp và
nơng nghiệp. Chính vì vậy, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm khám
phá các đặc điểm sinh học, hố sinh cũng nhưng cơ chế phân tử trong đó có kỹ
thuật giải trình tự hệ gen nhằm giải thích cũng như khám phá tiềm năng to lớn
của chúng.
Bộ gen của chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. M2 đã được công bố với những
thơng tin tổng qt như: có tổng chiều dài 8,718, 751 bp và chiều dài đường viền

N50 là 8,718,751 bp. Hàm lượng GC trung bình là 70,7%. Mặc dù bộ gen đã
được phát hành, nhưng những phân tích chi tiết điều tra về chủng vi khuẩn
Streptomyces sp. M2 vẫn chưa được thực hiện. Chính vì vậy, rất cần thiết phải
tiến hành phân tích hệ gen của chủng này để tìm được những tiềm năng ứng
dụng.
Đối với phân tích trình tự hệ gen, nhiều phần mềm, cơng cụ đã được phát
triển để thúc đẩy, rút ngắn thời gian phân tích. Tin sinh học kết hợp nhiều lĩnh
vực khác nhau như tốn học, cơng nghệ thơng tin và sinh học có thể được ứng
dụng để xác định, phân tích các thơng tin thiết yếu của tồn bộ bộ gen cũng như
tiềm năng sản xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học quý như kháng sinh,
phòng chống ung thư, hợp chất kháng sâu bệnh hại. Xuất phát từ mong muốn
khám phá tiềm năng của hệ gen chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. M2, tơi theo
đuổi luận án “Phân tích dựa trên bộ gene cho tiềm năng hoạt tính sinh học của
Vi khuẩn Streptomyces sp. M2”.

2


Mục đích và yêu cầu
 Mục đích

Phân tích hệ gene của chủng vi khuẩn Streptomyces sp. M2 nhằm khám
phá tiềm năng sinh tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học.
 Yêu cầu
- Xác định các đặc điểm chung của hệ gene Streptomyces sp.M2.
- Phân tích cụm gene sinh tổng hợp cho một số hợp hợp chất thứ cấp của
Streptomyces sp. M2.
- Phân tích chú thích GO: q trình sinh học (Biological Process), chức
năng phân tử và vị trí của các gene trong hệ genome.
- Dự đoán các chức năng của Streptomyces sp. M2 dựa trên trình tự
DNA.
- Phân tích con đường chuyển hóa thứ cấp Azinomicin B của
Streptomyces sp. M2

3


Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu về Streptomyces
1.1.1. Đặc điểm của Streptomyces
Streptomyces là chi lớn nhất của vi khuẩn Actinobacteria và là chi thuộc
nhánh Streptomycetaceae bao gồm các vi khuẩn gram dương có hàm lượng G +
C cao trong DNA của chúng, được Waksman và Henrici đề xuất (1943) và hiện
số lượng chủng mới đều tăng lên hàng năm.
Phân loại khoa học của Streptomyces:
Giới: Vi khuẩn
Nghành: Actinobacteria
Lớp: Xạ khuẩn
Bộ: Actinomycetales
Họ: Streptomycetaceae
Chi: Streptomyces

Chủng: Streptomyces sp. M2
Hệ thống phân loại của chi Streptomyces có một lịch sử tiến hóa lâu dài
với nhiều cách tiếp cận khác nhau dựa trên mô tả về các lồi, các quy trình sinh
học, hình thái học như màu sắc của sợi nấm trên không, chất nền, bào tử, hình
thái chuỗi cùng với các đặc điểm sinh lý thô sơ. Vào những năm 1940, việc phát
hiện ra thuốc kháng sinh do Streptomyces sản xuất đã dẫn đến nhiều nghiên cứu
cho việc tìm kiếm các chủng mới và các hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học
mới sau đó. Rất nhiều chủng Streptomyces mới đã được phát hiện ra, được định
danh và được cấp bằng sáng chế. Kết quả là vào năm 1970 có khoảng 3000 loài
thuộc chi Streptomyces được định danh, dựa trên cơ sở của những khác biệt nhỏ
về đặc tính hình thái.
Năm 1964, Dự án xạ khuẩn quốc tế (ISP) được đưa ra để giới thiệu các
tiêu chí chung cho việc xác định các lồi, các tiêu chí này giúp giảm số lượng

4


các lồi mới có phân loại gần nhau dựa trên mơ tả hình thái. Nhược điểm chính
của những mơ tả này liên quan đến hình thái học (tức là bào tử, hình thái chuỗi,
hình thái bề mặt bào tử, màu sắc của bào tử, sợi cơ chất, sắc tố hòa tan và sản
xuất sắc tố melanin), mở rộng đến một số các đặc tính sinh lý, về cơ bản chỉ giới
hạn trong các thử nghiệm sử dụng của các nguồn carbon. Nghiên cứu ISP chủ
yếu tập trung nhiều vào hình thái và sắc tố mà không cung cấp một sơ đồ nhận
dạng có thể áp dụng.
Ngồi các phương pháp truyền thống là sử dụng phương pháp phân loại
số dựa trên các quan sát hình thái học, thì các phương pháp phân tử và hóa học
hiện đang được sử dụng cùng nhau để nâng cao hiểu biết về mối quan hệ giữa
các lồi trong chi Streptomyces. Chúng bao gồm cấu hình protein, lai DNADNA, xét nghiệm RAPD/PCR, ELISA và so sánh trình tự rRNA 16S và rRNA
23S...vv
Phương pháp nhuộm hạt nhân Robinow HCl-Giemsa đã được nghiên cứu

để đã mơ tả vịng đời của Streptomyces sp. bao gồm:
1. Giai đoạn phân chia hạt nhân ban đầu
2. Sợi nấm sơ cấp
3. Sợi nấm thứ cấp (bao gồm cả trên khơng)
4. Sự hình thành bào tử.
1.1.2. Các hợp chất thứ cấp của Streptomyces
Các loài Streptomyces có vai trị quan trọng trong việc sản xuất các hoạt
chất sinh học khác nhau
Hợp chất thứ cấp. Chúng có khả năng tạo ra các hợp chất thứ cấp có hoạt
tính sinh học như như thuốc chống nấm, kháng vi-rút, kháng khuẩn, kháng u,
chống tăng huyết áp, và chủ yếu là thuốc kháng sinh và thuốc ức chế miễn dịch.
Nó đã được tìm thấy rằng các chất chuyển hóa có thể được chia thành bốn
lớp:

5


1. Các hoạt động điều tiết trong các hợp chất: chúng bao gồm việc xem
xét các yếu tố tăng trưởng, tác nhân hình thái và các tế bào phụ, và thực vật thúc
đẩy vi khuẩn rhizobia.
2. Các tác nhân đối kháng: chúng bao gồm antiprotozoans, kháng thể,
kháng nấm, cũng như kháng vi-rút.
3. Sinh vật học nông nghiệp: chúng bao gồm thuốc diệt côn trùng, thuốc
trừ sâu và thuốc diệt cỏ.
4. Dược lý: các tác nhân này bao gồm tác nhân thần kinh, chất điều hòa
miễn dịch, thuốc chống ung thư và chất ức chế enzym. Streptomyces griseus và
Streptomyces coelicolor được sử dụng để sản xuất công nghiệp Streptomycin và
các loại kháng sinh mới chẳng hạn như dihydrogranticin tương ứng.
Doxorubicin và daunorubicin như chất chống ung thư là hợp chất thứ cấp được
tạo ra bởi Streptomyces capoamus.

Sản xuất các hợp chất thứ cấp thường trùng hợp hoặc hơi trước với sự
phát triển của các sợi nấm trên không ở nuôi cấy bề mặt.
Cho đến nay, khoảng 17% hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học (gần
7600 trong số 43.000) được biết đến từ Streptomycetes. Streptomycetes trong
đất là nguồn chính của các hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học, nhưng một
lượng lớn nhiều loại hợp chất thứ cấp có hoạt tính sinh học và độc đáo về cấu
trúc gần đây đã được phân lập từ xạ khuẩn biển, bao gồm cả những loài từ chi
Streptomyces.
Các hợp chất thứ cấp đã biết của Streptomyces được tổng hợp bằng sáu
con đường sinh tổng hợp khác nhau:
1. Con đường peptide
2. Con đường polyketide synthase (PKS),
3. Con đường tổng hợp polypeptit không phải riboxom (NRPS),
4. Con đường lai (không phải riboxom),

6


5. Con đường tổng hợp polyketide), con đường shikimate, con đường tổng
hợp β-lactam,
6. Con đường carbohydrate.
Các con đường chuyển hóa đang trở nên thiết yếu trong y sinh học để tìm
ra các hợp chất thứ cấp mới, và cách duy nhất là bắt đầu lại quá trình sàng lọc
biến dạng tự nhiên. Streptomyces mới nhất khám phá ra sẽ rất quan trọng trong
việc thiết kế các phương pháp thử nghiệm mới để tối ưu hóa q trình lựa chọn
và giảm tỷ lệ âm tính giả.
1.1.3. Thuốc kháng sinh từ các chất chuyển hóa của Streptomyces.
Các lồi Streptomyces là nguồn cung cấp các chất chuyển hóa để sản xuất
thuốc quan trọng, đặc biệt là thuốc kháng sinh.
Thuốc kháng sinh là sản phẩm từ hợp chất thứ cấp quan trọng nhất được

tạo ra bởi vi sinh vật và đặc biệt ức chế sự phát triển của vi khuẩn hoặc nấm
khác hoặc phá hủy chúng. Streptomyces là loại kháng sinh sản xuất nhiều nhất
trong y tế và nghĩa cơng nghiệp trong các lồi vi sinh vật.
Từ cuối những năm 1940 đến những năm 1960, cịn được gọi là thời kỳ
hồng kim của thuốc kháng sinh, nhiều loại kháng sinh đã được phân lập từ các
loài Streptomyces đa dạng và được đưa vào sử dụng lâm sàng. Trong khoảng hai
thập kỷ, số lượng các hợp chất kháng khuẩn của Streptomyces được ghi nhận đã
tăng gần như theo cấp số nhân mỗi năm, tăng đều đặn đạt đến đỉnh cao vào
những năm 1970 nhưng sau đó đã giảm đáng kể vào cuối những năm 1988 và
những năm 1990.
Louis Pasteur là một trong những người sáng lập ra kiến thức về kháng
sinh hiện đại, trong thế kỉ 19. Ông phát hiện ra rằng các vi sinh vật khác có khả
năng tiêu diệt các vi sinh vật. Năm 1929, Alexander Fleming đã phát hiện ra loại
kháng sinh đầu tiên có "Penicillin", một phân tử được tạo ra bởi một số loại nấm
mốc có tác dụng tiêu diệt hoặc ngăn chặn sự phát triển của một số loại vi khuẩn.

7


Khoảng 75% của tất cả kháng sinh có nguồn gốc từ các sinh vật nhân sơ dạng
sợi này, và 75% được sản xuất bởi chi đơn Streptomyces.
Lịch sử của thuốc kháng sinh của có nguồn gốc từ Streptomyces bắt đầu
với việc phát hiện ra Streptothricin vào năm 1942, và việc phát hiện ra
Streptomycin vào năm 1943, sau đó các nhà khoa học tăng cường việc tìm kiếm
các kháng sinh khác trong chi Streptomyces.
Ngày nay 80% kháng sinh đến từ chi Streptomyces, xuất phát từ xạ
khuẩn. Góp phần sản xuất hơn hai phần ba số kháng sinh hữu ích có nguồn gốc
tự nhiên (ví dụ: neomycin và chloramphenicol). Theo Nikaido, thuốc kháng sinh
được sản xuất trên toàn thế giới trên một quy mơ ước tính khoảng 100.000 tấn
mỗi năm được sử dụng trong nông nghiệp, thực phẩm và sức khỏe. Một số loại

kháng sinh được trình bày trên Bảng 2.1.
Bảng 1.1. Danh sách một số kháng sinh do Streptomyces sp. tạo ra
Streptomyces sp.

Antibiotic

Streptomyces sp.

Antibiotic

S. griseus

Streptomycin

S.kanamyceticus

Kanamycin

S. clavuligerus

Cephalosporins

S.avermitilis

Avermicin

S. venezuelae

Chloramphenicol

S. ribosidificus

Ribostamycin

S.nodosus

Amphotricin B

S. roseosporus

Daptomycin

S. aureofaciens

Tetracycline

S. platensis

Platensimycin

S. noursei

Nystatin

S.alboniger

Puromycin

S. vinaceus
S. capreolus

Viomycin

S. fradiae

Neomycin
Fosfomycin

S. pristinaespiralis
S. virginiae

Virginiamycin

S. garyphalus
S. orchidaccus

Cycloserine

S. lincolnensis

Lincomycin

S.tenebrarius

Tobramycin

S. orientalis

Vancomycin

S.rimosus

Oxytetracyclin

S. niveus

Noviobiocin

S.ambofaciens

Spiramycin

8


Mặc dù thành công của việc khám phá và phát triển thuốc kháng sinh,
nhưng nhiễm trùng vẫn là nguyên nhân thứ hai gây tử vong trên thế giới.
Khoảng 17 triệu ca tử vong do nhiễm vi khuẩn hàng năm, hầu hết là ở trẻ em và
người cao tuổi. Việc lạm dụng thuốc kháng sinh đã sinh ra các loài vi khuẩn
kháng thuốc kháng sinh, ví dụ kháng methicillin Staphylococcus aureus
(MRSA) và các mầm bệnh Gram âm, chẳng hạn như Klebsiella pneumoniae,
Pseudomonas aeruginosa, và Acinetobacter baumannii.
Kháng thuốc có thể do thay đổi gene, chẳng hạn như đột biến hoặc
chuyển ngang các gene kháng thuốc, thường xảy ra nhất ở các sinh vật có các
đơn vị phân loại khác nhau. Mặt khác, vi sinh vật phát triển trong màng sinh học
có liên quan đến bệnh mãn tính và tái phát ở người nhiễm trùng và có khả năng
chống lại các chất kháng khuẩn cao hơn. Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đã bắt
đầu quan tâm đến việc khám phá ra các loại kháng sinh mới hoặc khám phá các
tác nhân mới để làm bất hoạt các enzyme gây kháng thuốc.
1.2. Khai thác bộ gene của Streptomyces

1.2.1. Vai trò của tin sinh học trong việc khám phá sản phẩm tự nhiên bằng
cách khai thác bộ gene.
Khai thác bộ gene dựa vào công nghệ máy tính và phần mềm tin sinh
học. Cho đến nay, một lượng dữ liệu đáng kể, được thể hiện bằng trình tự DNA
và các chú thích của chúng đã được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và có thể truy cập
cơng khai. Bộ gene hồn chỉnh của một prokaryote đơn lẻ được biểu diễn trong
một trình tự duy nhất gồm bốn nucleotide (A, T, C và G) với tối thiểu xấp xỉ
500000 bp (đối với sinh vật cộng sinh) và tối đa là 10 000 000 bp (đối với sinh
vật cộng sinh) (đối với vi khuẩn hoại sinh). Các cơng cụ này cho phép thực hiện
các phân tích so sánh, chúng không chỉ mang lại suy luận về các mối quan hệ
chức năng giữa gene và protein, mà còn giúp dự đốn về tính đặc hiệu của chất
nền và các tính chất xúc tác của các enzym sinh tổng hợp.

9


Dựa trên các dự án giải trình tự và khai thác bộ gene, một trong những
các phương pháp tiếp cận là dựa trên tin sinh học để khám phá sản phẩm tự
nhiên, đã được phát triển và áp dụng để khám phá cấu trúc hóa học của các phân
tử mới chưa xác định. Giải trình tự tồn bộ bộ gene cung cấp dữ liệu giàu kiến
thức có thể đóng góp đáng kể trong việc khám phá các sản phẩm tự nhiên trong
vi sinh vật. Khai thác bộ gene đã được coi là một phương pháp tin sinh học
trong lĩnh vực sản phẩm tự nhiên.
1.2.2. Phương pháp khai thác bộ gene
Phương pháp truyền thống để khám phá các sản phẩm tự nhiên có hoạt
tính sinh học mới từ nguồn vi sinh vật chắc chắn là tốn nhiều thời gian và công
sức, với nhiều khó khăn nhưng lại có tỷ lệ tái phát hiện chất chuyển hóa cao.
Do đó, số lượng lớn các bộ gene hồn chỉnh của vi sinh vật có thể truy
cập công khai đã được sử dụng để khai thác bộ gene như một cơng cụ mới có
hiệu quả cao để khám phá các chất chuyển hóa tự nhiên mới. Khai thác bộ gene

liên quan đến việc xác định các các cụm gene sinh tổng hợp các chất chuyển hóa
trong bộ gene của các sinh vật đã được giải trình tự, phân tích trình tự của các
enzym được mã hóa bởi các cụm gene này, và thực nghiệm xác định các sản
phẩm của các cụm gene. mang lại cơ hội trong việc xác định nhiều sản phẩm tự
nhiên mới trong các cụm gene sinh tổng hợp trong bộ gene của vi khuẩn đã được
giải trình tự.
Trong một số trường hợp, các cụm gene đã được thực nghiệm liên kết với
việc sản xuất các chất chuyển hóa. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, phân tích
trình tự của các cụm gene dự đoán rằng chúng chỉ đạo sản xuất các chất chuyển
hóa mới hoặc các chất chuyển hóa đã biết trước đây không được xác định là sản
phẩm của sinh vật được đề cập.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, việc giải trình tự bộ gene đã tiết lộ
rằng vi sinh vật vẫn đại diện cho một nguồn quan trọng cho các sản phẩm tự
nhiên mới bằng cách tìm ra các cụm gene sinh tổng hợp ẩn.
10


Streptomyces là một nguồn tài nguyên đa dạng và hữu ích các hợp chất
thứ cấp với hoạt tính sinh học phức tạp, nhiều trong số đó có các ứng dụng lâm
sàng quan trọng. Khai thác bộ gene đã trở thành một phương pháp hiệu quả để
khám phá tiềm năng công nghệ sinh học của các sinh vật Streptomyces, nơi
công thức hóa học và cấu trúc của các phân tử có thể được xác định và thậm chí
dự đốn bằng gene sinh tổng hợp các cụm (BGC).
Streptomyces có nhiễm sắc thể tuyến tính, khơng giống như các vi khuẩn
khác, và kích thước bộ gene của chúng thuộc loại cao nhất trong thế giới vi
khuẩn, dao động từ 6,2 Mb đối với Streptomyces cattleya NRRL 8057 đến 12,7
Mb đối với Streptomyces rapamycinicus NRRL 5491. Xem xét tồn bộ bộ gene
được giải trình tự cho đến nay có rất nhiều hợp chất thứ cấp được tìm thấy. Thực
tế là chúng chứa số lượng lớn nhất các BGC, chẳng hạn như polyketide
synthases (PKS) và synthetase của peptit khơng phải ribosome (NRPS), hoặc

thậm chí cả sự kết hợp giữa các con lai PKS-NRPS.

11


Bảng 1.2. Các nghiên cứu khai thác bộ gene hiện tại trên các lồi
Streptomyces
Chất chuyển hóa tiềm năng

Tác giả

Streptomyces exfoliatus

Cytochrome P450s, CYP-161C3,

(Zhu et al., 2011)

UC5319 và

và CYP161C2, chịu trách nhiệm

Streptomyces arenae Tü

về bước cuối cùng trong quá trình

469

sinh tổng hợp

Các lồi Streptomyces

kháng sinh sesquiterpenoid
pentalenolactone
Streptomyces sp. MA37

Fluorinase có lợi trong q trình

(Deng et al.,

luorination cơng nghệ sinh học

2014)

Streptomyces collinus Tü

PKS, NRPS, PKS-NRPS lai,

(Iftime et al.,

365

lanthipeptit, tecpen, và tế bào bên

2016)

Streptomyces wadayamensis Con đường sinh tổng hợp kháng

(Angolini et al.,

A23

sinh

2016)

Streptomyces sp. TP-A0356

Các tổng hợp polyketide và

(Komaki et al.,

enzym tổng hợp peptit không

2015)

phải của nguyên tử
Streptomyces

PKS, NRPS, PKS-NRPS hybrid,

(Chen et al.,

marokkonensis M10

alanthipeptit và tecpen

2016)

Streptomyces sp. strain

Hai protein làm sạch mủ (lcp)

(Nanthini et al.,

CFMR 7

gene

2015)

Streptomyces sp. Tü 6176

Con đường sinh tổng hợp

(Cano-Prieto et

Nataxazole

al., 2015)

Streptomyces ambofaciens

PKS, NRPS, PKS-NRPS hybrids,

(Aigle et al.,

ATCC 23877

và terpene

2014)

Streptomyces citricolor

Germacradien-4-ol and (−)-epi-

(Nakano et al.,

αbisabolol synthases which reveal 2011)
terpene diversity

12


Bảng trên trình bày những nỗ lực khai thác bộ gene gần đây trong chi
Streptomyces trong đó các chất chuyển hóa được tìm thấy thường chưa được
thực nghiệm xác nhận, nhưng thay vào đó chúng minh họa tầm quan trọng của
cách tiếp cận trong việc khám phá chất chuyển hóa. Các hợp chất thứ cấp có
nguồn gốc từ các phức hợp đa enzyme được mã hóa bởi các cụm gene sinh tổng
hợp của các hợp chất thứ cấp (smBGCs). Nói chung, smBGCs chứa các con
đường hoàn chỉnh thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp tiền chất của sản phẩm, lắp
ráp, thay đổi, đề kháng và quy định. Số lượng bộ gene được giải trình tự hồn
tồn của Streptomyces đã tăng lên theo cấp số nhân với những phát triển gần đây
trong cơng nghệ giải trình tự DNA. Một số cơng cụ tin sinh học đã được phát
triển, bao gồm antiSMASH, ARTS, Blast2GO để xác định các smBGC trong bộ
gene và các con đường chuyển hóa của chúng.
Bài báo cáo này tập trung vào các phương pháp tiếp cận khai thác bộ
gene cho smBGC phát hiện từ dữ liệu bộ gene từ Streptomyces và tính hữu ích
của chúng trong việc khám phá các hợp chất mới và hoạt tính sinh học.
❖ Phân tích dựa trên bộ gene tiềm năng hoạt tính sinh học của

Streptomyces sp. M2.
Trong cơng trình này, chúng tơi nghiên cứu về tiềm năng hoạt tính sinh
học của vi khuẩn Streptomyces sp. M2. Với trọng tâm là xác định các đặc điểm
bộ gene phân tích và tìm ra một hợp chất thứ cấp (Azinomycin B), và khám phá
sự làm giàu của các enzyme cụ thể ở streptomycete so với một số chủng
Streptomyces nổi tiếng mà dữ liệu bộ gene có sẵn. Phân tích bộ gene so sánh cho
thấy rằng chủng M2 có một tập hợp các gene mã hóa các enzym cần thiết cho
hợp chất thứ cấp. Phân tích so sánh các cụm gene và con đường sinh tổng hợp
kháng sinh chống khối u liên quan đến Azinomycin B.

13


1.3. Về ứng dụng tin sinh học
Tin sinh học là một công nghệ mới, kết hợp với các lĩnh vực khác như
tốn học, khoa học thơng tin và sinh học. Có hai thành phần chính của tin sinh
học:
 Sự phát triển của phần mềm và các thuật toán của chúng.
 Phân tích, khai thác và sử dụng dữ liệu sinh học cho các mục đích cụ
thể bằng cách sử dụng nhiều loại phần mềm và thuật tốn.
Các cơng 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 gene. Chúng cũng
hữu ích cho việc nghiên cứu và tìm kiếm thông 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.
1.3.1. Tin sinh học và tác động của nó đối với hệ gene
Một số thành tựu ban đầu của bộ gene được giải trình tự bằng tin sinh học:
 Năm 1995, một kỹ thuật mới được đưa ra để giải trình tự ngẫu nhiên
của bộ gene hồn chỉnh (gọi là kỹ thuật "súng bắn") đã được áp dụng để giải

trình tự bộ gen của Haemophilus bệnh cúm. Sự kiện này được đánh dấu là lần
đầu tiên toàn bộ bộ gen của một sinh vật được giải trình tự.
 Mycoplasma roductionium và Mycobacterium tuberculosis đã được xác
định trình tự và trình tự của vi khuẩn dịch hạch Yersinia pestis đã được hồn
thành trong thời gian này.
 Trình tự và chú thích của hệ gene sinh vật nhân thực đầu tiên,
Saccharomyces cerevisiae (một loại nấm men), cùng các loài sinh vật nhân
chuẩn khác như Caenorhabtidis elegans (một loài sâu), Drosophila melanogaster
(ruồi giấm) và Arabdopsis thaliana (cỏ dại mù tạt). Thông tin thu được từ dữ liệu

14


trình tự này sẽ hữu ích cho sinh học và kiến thức y học (Si-Yao Zhang và ShuLin Liu, et al., 2015).
1.3.2. Một số ứng dụng của tin sinh học
 Xét nghiệm DNA:
Cơng nghệ giải trình tự, xuất hiện vào những năm 1960, là một trong
những công nghệ quan trọng nhất trong các phương pháp nghiên cứu genomics.
Nó là một phương pháp xác định trình tự nucleotide của axit ribonucleic (RNA)
hoặc polyme deoxyribonucleic acid (DNA). Phương pháp được áp dụng nhiều
nhất để giải trình tự DNA là súng bắn gene (WGS) phương pháp này được thực
hiện như sau:
 Đầu tiên, chọn DNA phân mảnh ngẫu nhiên phân đoạn, tiếp theo là sao
chép chúng trong một vectơ.
 Sau đó, thúc đẩy chúng trong Escherichia coli và giải trình tự các đoạn
DNA đã được nhân bản bằng nhiều nền tảng khác nhau.
 Cuối cùng, trình tự là kết quả của việc tập hợp lại và đọc các phân tích
tin sinh học.
Phương pháp WGS đã được ứng dụng thành công trong việc giải trình tự
các bộ gene nhỏ, chẳng hạn như vi rút, vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân

thực không có nhiều trình tự DNA lặp lại. Với đối tượng phức tạp hơn bộ gene,
phương pháp WGS thường được kết hợp với các phương pháp khác, chẳng hạn
như nhân bản DNA các đoạn, lập bản đồ các dòng DNA lớn trên nhiễm sắc thể
và nhân bản phụ những dòng cần quan tâm thành các vectơ bảo thủ để giải trình
tự.
 Căn chỉnh trình tự:
Chúng tơi sử dụng cơng cụ này để so sánh trình tự của các gene tương
đồng. Từ điều này, chúng ta có thể xác định mối quan hệ tiến hóa giữa các sinh
vật vì mức độ giống nhau của chúng về trình tự. Xác định mức độ giống nhau

15