DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT

69
b. Phương pháp xác định sinh khối tế bào:
* Phương pháp trực tiếp:
- Xác định sinh khối tươi hay khô sau khi ly tâm tế bào (phương pháp
này kém chính xác).
- Xác định hàm lượng nitơ tổng số (phương pháp micro – Kjeldahl và
phương pháp xác định NH
3
) hay hàm lượng cacbon tổng số. Các phương pháp này
cho độ chính xác cao.
- Xác định hàm lượng protein bằng phương pháp biure cải tiến hoặc
các phương pháp so mầu khác.
* Phương pháp gián tiếp:
- Đo độ đục của dịch treo tế bào bằng cách đo mật độ quang học.
- Đo các chỉ số cường độ trao đổi chất như hấp thụ Oxy, tạo thành
CO
2
hay các axit.

BÀI 5. DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT

Vi sinh vật cũng như các đại diện khác của thế giới sống đều mang 2 đặc
điểm cơ bản của cơ thể sống là tính di truyền và biến dị.
Tính di truyền và biến dị của vi sinh vật cũng tuân theo các quy luật di truyền
như ở tất cả các sinh vật bậc cao.
I. Di truyền của vi sinh vật:
70
Mỗi vi sinh vật đều giống tổ tiên ở hầu hết các đặc điểm, đó là tính di truyền
của chúng. Di truyền chính là sự duy trì các đặc điểm qua nhiều thế hệ. Cơ sở vật
chất của di truyền là axit nucleic (ADN hoặc ARN).
Quá trình truyền dòng thông tin di truyền từ nhiễm sắc thể đến tế bào chất ở
mọi sinh vật đều diễn ra như sau:
(1) (2a) (1) (3a)
ADN ARN Protein
(2b) (3b)?

Trong đó:
- (1) là quá trình sao chép. Bản thân vật chất di truyền (ADN/ARN) có khả
năng tự nhân lên.
- (2a) là quá trình phiên mã. ADN được dùng làm khuôn để tổng hợp ARN
(bao gồm ARN thông tin – mARN, iARN, ARNriboxom – rARN, ARN vận chuyển
– tARN) trong quá trình phiên mã.

- (2b) là quá trình này gọi là phiên mã ngược. Một số virut không có ADN
nên vật chất di truyền là ARN, do đó để có thể lắp genom của bản thân vào nhiễm
sắc thể của tế bào chủ virut phải tổng hợp dạng ADN trung gian từ sợi khuôn
ARN. Quá trình này gọi là phiên mã ngược: Đầu tiên là sợi ADN sẽ được tổng
hợp trên khuôn ARN theo nguyên tắc bổ sung. Sau đó sợi ADN đơn bội này tách
ra và chính nó tạo nên 1 sợi ADN thứ hai tương đồng với nó cũng theo nguyên tắc
bổ sung, từ đó sợi ADN kép được hình thành.
- (3a) là quá trình sinh tổng hợp protein hay dịch mã diễn ra trên phức hợp
bao gồm sợi mARN, riboxôm (có chứa các rARN) và các tARN (mang axit amin).
- (3b) là quá trình dịch mã ngược có tồn tại hay không? Hiện nay chưa rõ.
II. Biến dị của vi sinh vật:
Người ta phân biệt biến dị làm 2 loại:
- Biến dị không di truyền (biến dị phenotip/ thường biến).
- Biến dị di truyền (biến dị genotip):
Phenotip là toàn bộ các tính chất sinh lý và hình thái của mỗi cá thể. Nó là
biểu hiện bên ngoài của genotip trong những điều kiện ngoại cảnh cụ thể.
Genotip là tập hợp của tất cả các gen có trong tế bào, nó xác định toàn bộ các
tính chất của cơ thể. Ở nnững điều kiện ngoại cảnh khác nhau, các tính chất đó có
những biểu hiện khác nhau. Nhưng genotip duy trì sự cố định tương đối của các tính
chất trong bất cứ điều kiện nào, chính nhờ vậy mà ta có thể phân biệt các loài vi
sinh vật với nhau.
1. Biến dị phenotip (Thường biến):
Thường biến là những biến đổi về phenotip của vi sinh vật mà nguyên nhân
không phải do những biến đổi trong bộ máy di truyền của tế bào gây ra. Thường
biến xuất hiện dưới tác động của các nhân tố ngoại cảnh và thường quan sát thấy
khi vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản trong những môi trường khác nhau. Những
biến đổi này xuất hiện chậm và bị mất đi khi nhân tố gây ra chúng ngừng tác động.
71
Ví dụ:
- Azotomonas tạo thành khuẩn lạc lớn, nhầy khi môi trường

có saccharoza.
- Khi cho thêm penixilin vào môi trường nuôi cấy thì tế bào
vi khuẩn sẽ dài ra.
- Khi cho vào môi trường 0,1% pepton thì sau 48 giờ xuất
hiện 100% bào tử ở vi khuẩn, còn nếu cho vào 2% thì chỉ
quan sát thấy những dạng dinh dưỡng.
2. Biến dị genotip:
a. Đột biến:
* Khái niệm: đột biến là sự biến đổi sai lệch một cách ngẫu nhiên hay cảm
ứng phân tử axit nucleic của nhân, đã dẫn đến biến đổi genotip của tế bào vi sinh
vật.
* Các loại đột biến:
- Đột biến tự phát (hay đột biến ngẫu nhiên): là đột biến tự nó phát
sinh, thường xảy ra với tần số thấp.
- Đột biến cảm ứng ( hay đột biến gây tạo) là đột biến xuất hiện do
các tác nhân gây đột biến. Có nhiều tác nhân gây đột biến và mỗi tác nhân khác
nhau có thể tác động lên tế bào vi sinh vật theo những con đường khác nhau. Người
ta chia tác nhân đột biến thành 2 loại:
+ Tác nhân hoá học bao gồm các axit vô cơ, phenol, phomandehit, pH
môi trường, các chất đồng đẳng của purin, pirimidin...
+ Tác nhân vật lý bao gồm các tia cực tím hay các tia bức xạ ion hoá
(tia X, γ, α, β...), nhiệt độ...
b. Sự trao đổi di truyền ở vi khuẩn:
Ở tế bào nhân thật khi thụ tinh các bộ gen đơn bội kết hợp với nhau tạo thành
một hợp tử lưỡng bội. Qua vài lần phân chia hợp tử diễn ra sự tái tổ hợp giữa 2 bộ
gen và sự giảm phân thành bộ gen đơn bội (giao tử).
Tuy nhiên tái tổ hợp ở tế bào nhân nguyên thuỷ có nhiều điểm khác: vi
khuẩn luôn là đơn bội. Hợp tử của chúng không phải là sản phẩm kết hợp của các tế
bào. Thường chỉ một phần ADN từ tế bào cho được truyền sang tế bào nhận, do đó
xuất hiện hợp tử từng phần (hợp tử không toàn vẹn). Sau khi ADN được chuyển,

trong tế bào nhận sẽ diễn ra tái tổ hợp: ADN của tế bào nhận và đoạn ADN của tế
bào cho ghép đôi và trao đổi đoạn tạo ra thể tái tổ hợp. Khi phân chia nhân và phân
bào tiếp theo sẽ xuất hiện các tế bào chỉ chứa nhiễm sắc thể đã tái tổ hợp. Như vậy,
lượng thông tin trong tế bào nhận không tăng lên. Nó vẫn như cũ nhưng chất lượng
thông tin thì bị thay đổi, bởi vì đoạn ADN của tế bào cho đã trao đổi với ADN của
tế bào nhận. Tuỳ theo cách vận chuyển ADN, người ta phân biệt 3 kiểu truyền tính
trạng ở vi khuẩn, đó là biến nạp, tiếp hợp và tải nạp. Hay nói cách khác, có 3 con
đường cơ bản truyền nguyên liệu di truyền đã được biết đến ở vi khuẩn, đó là biến
nạp, tiếp hợp và tải nạp.
* Biến nạp (Transformation):
72
Định nghĩa: Biến nạp là sự biến đổi genotip của vi khuẩn dưới ảnh hưởng
của ADN nhận được từ vi khuẩn cho ADN dưới thể dung dịch do một vi khuẩn thể
cho giải phóng ra, được truyền đi không có sự can thiệp của một nhân tố cấu trúc
nhiễm sắc thể hoặc epixom, hoặc của phage vi khuẩn vectơ. Như thế một nòi vi
khuẩn bị biến đổi về mặt di truyền do tiếp thu ADN của vi khuẩn thuộc nòi khác.
Thí nghiệm của Grifith:
Hiện tượng biến nạp được Griffith phát hiện năm 1928 trên vi khuẩn gây
bệnh viêm phổi Diplococcus pneumoniae.
- Ở dạng bình thường, khi phát triển trên môi trường thạch tạo ra khuẩn lạc
nhẵn bóng, gọi là khuẩn lạc dạng S do có lớp vỏ nhầy. Đây là dạng gây bệnh.
- Khi bị đột biến, mất khả năng tạo vỏ nhầy nên chúng có khuẩn lạc nhăn
nheo, gọi là khuẩn lạc dạng R. Dạng này không gây bệnh.
Nếu đem dịch huyền phù vi khuẩn dạng S đã bị giết chết bằng nhiệt độ, hoặc
dạng R còn sống tiêm cho chuột thì chuột không bị bệnh. Nhưng nếu đem trộn dạng
S đã bị giết chết bằng nhiệt độ và dạng R còn sống tiêm cho chuột thì chuột sẽ bị
chết. Từ máu của những con chuột bị chết, ông đã tách ra được những vi khuẩn
dạng S điển hình. Điều này nhứng tỏ các vi khuẩn dạng S đã chết đã truyền khả
năng tạo vỏ nhầy cho các tế bào dạng R còn sống và làm cho chúng trở thành các tế
bào dạng S.

Từ đó tác giả kết luận rằng: có một chất nào đó trong dung dịch huyền phù
của vi khuẩn có vỏ nhầy đã chết chuyển sang tế bào vi khuẩn không có vỏ nhầy
đang sống và làm cho nó có khả năng tạo nên vỏ nhầy. Vật chất đó gọi là nhân tố
biến nạp.
Bản chất của nhân tố biến nạp: cho đến năm 1944, bản chất của nhân tố
biến nạp mới được Avery Macleot và Maccathy khám phá ra, đó chính là ADN. Khi
đun nóng dịch nuôi cấy tế bào vi khuẩn dạng S, các tế bào này bị phá huỷ và giải
phóng ra môi trường những phân tử ADN. Những phân tử này khi tiếp xúc với các
tế bào sống dạng R đã trực tiếp thấm vào nó và truyền cho nó khả năng tạo vỏ nhầy.
Điều kiện xảy ra biến nạp:
- Các vi khuẩn nhận chỉ nhận ADN biến nạp khi thành tế bào có sự thay đổi
dưới tác động của những điều kiện nuôi cấy nhất định (pH, nhiệt độ, sự khuấy
lắc...).
- Chỉ những đoạn ADN có phân tử lượng từ 10
5
– 10
7
mới được truyền đi
trong biến nạp. Hơn nữa mỗi đoạn ADN biến nạp tương ứng với khoảng 1/200 –
1/500 hệ gen của tế bào cho.
- Thành phần môi trường cũng ảnh hưởng đến tần số biến nạp. Ví dụ:
anbumin làm tăng tần số biến nạp, trong khi cazein lại làm giảm tần số biến nạp.
- Nhiệt độ thích hợp cho sự biến nạp là 29 – 32
o
C.
- Các tế bào nhận có thể nhận bất kỳ đoạn ADN biến nạp nào nhưng nó sẽ
trở thành bão hoà khi nồng độ ADN đạt đến khoảng 10 đoạn.
73
Hiện tượng biến nạp phổ biến rộng rãi ở nhiều giống khác nhau như:
Diplococcus, Hemophilus, Staphylococcus, Agrobacterium, Rhizobium, Bacillus,

Xanthomonas.
Các giai đoạn của quá trình biến nạp:
Sự xâm nhập của ADN ngoại lai vào tế bào biến nạp xảy ra vài phút sau khi
tiếp xúc. Ngay sau khi xâm nhập vào, ADN trở thành một mạch duy nhất có tính
chất trùng hợp cao, mạch kia tan rã thành một thành phần hoà tan trong axit. Sự
tách riêng 2 mạch này rất quan trọng, chỉ một mạch được thu hút vào trong vi
khuẩn, do đầu mút của nó gặp một phân tử dezoxiribonucleaza. Sự kết đôi đặc hiệu
của khúc ngắn ADN đã xâm nhập với một vùng đồng đẳng của hệ gen của vi khuẩn
tiếp nhận, tiến hành trên một đoạn kép của nhiễm sắc thể chứ không phải trên một
đoạn bổ sung.
Sử dụng biến nạp trong nghiên cứu cấu trúc gen:
Hiện tượng biến nạp là một phương tiện phân tích di truyền. Nó cho phép
định vị vị trí bản đồ trên bản đồ di truyền của một nòi vi khuẩn trên những vùng rất
nhỏ hoặc của một gen quyết định một tính trạng. Người ta có thể làm vô hiệu bằng
đột biến nhiều enzim của vi khuẩn và tái tổ hợp bằng biến nạp. Nó cho phép phân
tích những đặc điểm và chức năng của vi khuẩn không thể nghiên cứu bằng sự tiếp
hợp được, phát hiện những gen kiểm soát sự hình thành vỏ nhầy, sự đề kháng với
kháng sinh, nghiên cứu quá trình nha bào hoá, đặc tính cố định nitơ phân tử trên
những vi khuẩn Rhizobium.
Hiện tượng biến nạp có một tầm quan trọng to lớn trong sinh học vì nó cho
phép xác định rằng sự tổng hợp protein được đặt dưới sự kiểm soát của ADN. Nó
mở đường cho di truyền học hoá học. Nó cho thấy rằng khi có một đột biến thì có
một biến đổi ADN.
Nhờ hiện tượng biến nạp mà người ta nghiên cứu về cấu trúc gen và chúng ta
biết được rằng: gen chưa phải là đơn vị nhỏ nhất của vật chất di truyền. Trong gen
còn có các locus khác, những locus này đều xác định dấu hiệu mà gen xác định, tuy
nó ở vị trí khác nhau của gen. Từng locus này có thể xảy ra tái tổ hợp trong quá
trình biến nạp.
* Tiếp hợp (Conjugation):
Định nghĩa: hiện tượng tiếp hợp là hiện tượng truyền một phần vật chất di

truyền theo một chiều từ vi khuẩn cho đến vi khuẩn nhận bằng con đường tiếp xúc
trực tiếp giữa 2 tế bào.
Thí nghiệm của Lederberg và Tatum:
Năm 1946 hai tác giả đã tiến hành lai tạo giữa những thể đột biến sinh
trưởng của biến chủng E. coli K12.
- Vi khuẩn dòng thứ nhất mang ký hiệu A
+
B
+
C
-
D
-
, tức là có khả năng tổng
hợp axit amin A, B nhưng không có khả năng tổng hợp axit amin C, D.
- Vi khuẩn dòng thứ hai mang ký hiệu A
-
B
-
C
+
D
+
, tức là không có khả năng
tổng hợp axit amin A, B nhưng có khả năng tổng hợp axit amin C, D.