Qúa trình biến nạp tải nạp và tiến hợp ở vi khuẩn

Câu hỏi:
Trình bày tóm tắt các quá trình biến nạp, tải nạp và tiếp hợp ở vi khuẩn?
Bài làm:
Hình thức sinh sản chủ yếu của vi khuẩn là phân đôi tế bào, qua quá trình phân đôi
vật chất di truyền của vi khuẩn mẹ sẽ đợc truyền cho các vi khuẩn con. Tuy nhiên cũng
có trờng hợp vật chất di truyền của vi khuẩn này (vi khuẩn cho) chuyển sang vi khuẩn
nhận thuộc chủng khác, có ba cách chuyển thông tin di truyền từ tế bào cho sang tế
bào nhận là: biến nạp, tải nạp và tiếp hợp.
* Biến nạp (transformation):
Biến nạp: Biến nạp chỉ những biến đổi tính trạng của vi khuẩn dới ảnh hởng của
ADN dung dịch đợc tách chiết từ vi khuẩn cho xâm nhập vào vi khuẩn nhận.
Hiện tợng biến nạp đợc nhà vi khuẩn học Griffith phát hiện vào năm 1928 và đợc làm
sáng tỏ nhờ những thực nghiệm của Avery, Mac Leod và Mac Carthy.
Thí nghiệm: Griffith đã tiêm cho chuột một liều vi khuẩn Diplococcus pneumoniae
dạng S ( có màng nhày, gây bệnh viêm phôi nặng) làm cho chuột chết. Nếu xử lý bằng
nhiệt thì vi khuẩn này không có khả năng gây bệnh cho chuột. Tiêm vi khuẩn dạng R
( không có màng nhày) không gây độc đối với chuột. Nhng khi ông tiêm cho chuột một
hỗn hợp các vi khuẩn dạng R ( không có màng nhày) với vi khuẩn dạng S (có màng
nhày), nhng đã xử lí bằng nhiệt, thì thấy chuột vẫn bị chết. Từ máu chết ông đã phân
lập đợc Diplococcus pneumoniae dạng S điển hình. Điều đó có nghĩa các vi khuẩn
dạng S bị chết vì nhiệt đã truyền khả năng tạo vỏ nhày cho các tế bào dạng R làm cho
nó trở thành tế bào dạng S và tính chất này đợc truyền cho các thế hệ con cháu của tế
bào dạng S mới (Hình 1).
Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm của Griffith
Tuy nhiên Griffith đã sai lầm cho rằng hiện tợng biến nạp là do tác động của cơ
chất polyholosilic màng nhày, đến năm 1944 Avery và các cộng sự, đã chứng minh tác
nhân của quá trình biến nạp chính là axit nucleic (ADN) của vi khuẩn dạng S bị xử lí
bằng nhiệt đã truyền tính trạng hình thành màng nhày cho tế bào dạng R làm cho vi
khuẩn này có màng nhày và gây độc.
Quá trình biến nạp phụ thuộc vào 2 yếu tố:
1

- Chủng vi khuẩn và khả năng trở thành trở thành vi khuẩn nhận (tế bào khả biến).
- Đoạn ADN biến nạp và những tính chất của nó (ADN biến nạp).
Khả năng biến nạp xuất hiện trong khoảng 15 30 phút, ở cuối pha sinh trởng cấp
số, nó phụ thuộc vào tác nhân biến nạp, tác nhân này đã đợc chiết ra từ Diplococcus
pneumoniae, nó là một loại prôtêin bền nhiệt với khối lợng phân tử thấp (khoảng
10.000 dalton), nó làm cho tế bào trở thành tế bào khả biến.
Khả năng biến nạp chỉ có ở những vi khuẩn có thể cho những phân tử ADN của tế
bào cho có khối lợng phân tử khoảng 5x10
6
dalton chui qua. ADN biến nạp phải là
đoạn axit nucleic hai mạch.
Sau khi qua màng tế bào nhận, ADN có một thời kì ẩn, tiếp đó là sự gắn ADN của
tế bào cho vào hệ gen của tế bào nhận, rất có thể ADN biến nạp kết đôi với ADN của
tế bào nhận tại đoạn tơng đồng, sau đó có sự rứt đứt và có sự trao đổi các đoạn tơng
đồng này, bằng cách đó ADN biến nạp ra nhập hệ gen của vikhuẩn nhận.
Có thể chia quá trình biến nạp thành 5 giai đoạn:
- Cố định ADN lên tế bào nhận, ở đây tế bào nhận có những vị trí để hấp phụ ADN.
- Sự xâm nhập của ADN biến nạp vào tế bào khả biến.
- Sự liên kết của ADN biến nạp với đoạn tơng đồng của thể nhiễm sắc của tế bào nhận.
Sau khi chui qua màng tế bào khả biến, ADN biến nạp chịu tác động của các enzym
giới hạn, biến đổi và sửa chữa. Nếu nó không nhanh chóng tìm thấy đợc đoạn tơng
đồng trên thể nhiễm sắc, thì nó sẽ bị phân cắt (Hình 2b).
- Sự đồng hoá ADN ngoại sinh biến nạp vào ADN nội sinh nhờ tái tổ hợp, ở đây phải
có sự tơng đồng giữa các đoạn ADN nội sinh và ADN ngoại sinh.
- Sự nhân lên của thể nhiễm sắc đã đợc đồng hoá.
Quá trình biến nạp đợc mô tả ở hình 2a và 2b

2
Hình 2a: Sơ đồ cơ chế biến nạp ở
vi khuẩn gram dơng

Hình 2: Sơ đồ quá trình biến
nạp thành công và không thành
công
Trong quần thể vi sinh vật chỉ những tế bào khả biến, mới chịu tác động của ADN
biến nạp. Việc hình thành các tế bào khả biến phụ thuộc vào giống vi sinh vật, loại
ADN biến nạp và thời kỳ sinh trởng của tế bào nhận. Một trờng hợp đặc biệt, khi
nhiễm tế bào vi khuẩn một loại axit nucleic lấy từ bacteriophage, làm cho tế bào nhận
có tính trạng của vi khuẩn đã bị nhiễm phage gọi là nhiễm nạp (Transfection).
Hiện tợng biến nạp đã chứng minh tính di truyền đặc trng của ADN, nó còn có ý
nghĩa to lớn về thực tiễn có thể thực hiện sự biến đổi định hớng tính di truyền.
* Tiếp hợp:
Tiếp hợp là hiện tợng truyền vật chất di truyền theo một chiều từ vi khuẩn cho sang
vi khuẩn nhận khi các tế bào cho và tế bào nhận tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Năm 1946 Lederberg và Tatum đã phát hiện sự tái tổ hợp bằng tiếp hợp giữa 2 vi
khuẩn tiếp xúc trực tiếp ( Hình 3).
Hình 3: ảnh chụp TEM hai tế bào E.coli tiếp hợp nhờ lông giới tính. Tế bào F
+
ở bên phải
đợc phủ bởi nhiều nhung mao và một lông giới tính nối với tế bào F
-
Thí nghiệm: Lederberg và Tatum lấy 2 chủng khuyết dỡng bổ trợ đối nhiều đặc
điểm, xuất phát từ chủng tự dỡng E.coli K12 có khả năng tổng hợp treonin, leucin,
thiamin, phynylalanin bà biotin, kí hiệu Tr
+
, Leu
+
, B
1
+
, Phe

+
và Bio
+
. Hai chủng E.coli
khuyết dỡng có đắc điểm bổ trợ sau:
Chủng A: Tr
+
, Leu
+
, B
1
+
, Phe
-
và Bio
-
.
Chủng B: Tr
-
, Leu
-
, B
1
-
, Phe
+
và Bio
+
.
Các ông cấy 10

9
vi khuẩn A hoặc 10
9
vi khuẩn B trên môi trờng tối thiểu
không chứa bất cứ một trong năm nhân tố sinh trởng cần thiết đã nêu trên, sau một thời
gian ủ trong tủ ấm, không thấy xuất hiện bất cứ một khuẩn lạc nào. Nhng ngợc lại, khi
các ông cấy dàn hỗn hợp 10
8
các chủng A và B trên môi trờng tổng hợp tối thiểu, thì
xuất hiện một số ít khuẩn lạc, các khuẩn lạc này là những khuẩn lạc có khả năng tổng
hợp cả 5 loại nhân tố sinh trởng Tr
+
, Leu
+
, B
1
+
, Phe
+
và Bio
+
, giống nh các chủng hoang
dại tự dỡng, đó là chủng E.coli tái tổ hợp, các tế bào tái tổt hợp từ hỗn hợp huyền phù
hai chủng A và B xuất hiện với tần số 10
-6
đối với một tính trạng.
3
Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm tái tổ hợp giữa hai chủng đột biến khuyết
dỡng E.coli bổ trợ nhau thông qua tiếp hợp
Năm 1952, Hayes chứng minh rằng các chủng A và B đợc Lederberg sử dụng

không có cùng một khả năng sinh trởng và truyền thông di truyền, hay là trong tế bào
E.coli cho có yếu tố giới tính đợc kí hiệu là F
+
(Fertility), còn tế bào không có yếu tố
giớ tính kí hiệu là F
-
chỉ có thể làm tế bào nhận. Nếu lai F
+
với F
-
thì có chủng tái tổ
hợp với tần số khoảng 10
-6
, nếu lai F
-
với F
-
thì không có sự tái tổ hợp, nếu lai F
+
với F
+
thì có thể tạo ra chủng tái tổ hợp nhng với tần số rất thấp. Bản chất của yếu tố F trong
E.coli K12 là cấu trúc ADN vòng có độ dài khoảng 2% chiều dài thể nhiễm sắc vi
khuẩn, nó gồm khoảng 10
5
cặp bazơ nitơ.
Bên cạnh chủng F
+
có khả năng tái tổ hợp với tần số thấp, còn có các chủng cho tần
số tái tổ hợp rất cao (khoảng 10

-2
, 10
-3
), gọi là chủng Hfr (High Frequency of
recombenation). ở các chủng Hfr nhân tố F ra nhập vào thể nhiễm sắc của vi khuẩn.
Vi khuẩn nhận (F
-
) không có yếu tố giới tính F, khi tiếp hợp với tế bào cho (F
+
) mà
có thể thu đợc yếu tố F để trở thành tế bào có yếu tố giới tính (F
+
). Hiện tợng này đợc
mô tả ở hình 5:
Hình 5
4
Một số ít tế bào nhờ kết quả việc gắn yếu tố F vào thể nhiễm sắc của vi khuẩn, mà
tế bào F
+
đã biến thành tế bào Hfr. Đợc mô tả ở hình 6:
Hình 6
Khi tế bào cho Hfr chuyền một phần thể nhiễm sắc vào tế bào nhận F
-
thì làm cho tế
bào nhận tái tổ hợp F
-
. Hiện tợng này đợc mô tả ở hình 7:
Hình 7
Sự vận chuyển thể nhiễm sắc từ vi khuẩn Hfr không phổ biến bằng sự vận chuyển
các plasmid của vi khuẩn F

+
cho vi khuẩn nhận, do kích thớc của plasmid bé hơn nên
sự vận chuyển dễ hơn và diễn ra thờng xuyên hơn, hơn nữa khi plasmid đã đợc chuyển
sang thì không gia nhập vào hệ gen của vi khuẩn mà tồn tại độc lập ở ngoài hệ gen này.
Yếu tố F có thể gắn vào bất kỳ điểm nào của thể nhiễm sắc, chỗ gắn yếu tố F quy
định điểm và lực khởi đầu của thể nhiễm sắc và hớng vận chuyển của thể nhiễm sắc
này cho tế bào nhận, điều đó có ý nghĩa cho phép nghiên cứu mối liên hệ giữa các gen
và có thể vẽ đợc bản đồ di truyền của tế bào.
* Tải nạp:
Tải nạp là quá trình truyền thông tin di truyền từ một vi khuẩn (nòi cho) sang vi
khuẩn khác (nòi nhận) thông qua vật trung gian là thể thực khuẩn.
Hiện tợng tải nạp đợc phát hiện lần đầu tiên vào năm 1951 nhờ thí nghiệm của
Zinder và Lederberg làm trên Salmonella typhimurium. Zinder đã làm thí nghiệm với
hai chủng khuyết dỡng Salmonella: chủng thứ nhất (2A) cần histidine để phát triển
(H
-
), chủng thứ hai (22A) cần tryptophan (T
-
). Trong một ống hình chữ U mà ở đáy có
một màng kính ngăn không cho các vi khuẩn đi qua, nhng có thể cho virut đi qua. Các
ông cho vào một nhánh 10
8
vi khuẩn 22A (Triptophane-) và nhánh kia -10
8
vi khuẩn
2A (histidine-). Sau một thời gian thì ở nhánh vi khuẩn 22A ngời ta thu đợc các chủng
tự dỡng với tần số khoảng10
-5
và không thấy tế bào tự dỡng nào ở nhánh của chủng 2A.
(Hình 8)

5