Giáo trình di truyện học vi sinh vật và ứng dụng

HOÀNG TRNG PHÁN (Ch biên)
TRNG TH BÍCH PHNG






μ













NHÀ XUT BN I HC HU
Hu - 2008

1





Li nói đu
n nay, di truyn hc ra đi ch mi hn mt trm nm song nó đã
phát trin vi mt tc đ ht sc nhanh chóng. c bit là, trong vòng 50
nm li đây k t ngày James Watson và Francis Crick khám phá ra cu
trúc phân t DNA, 25/4/1953. S hoàn thành vic Gii mã di truyn bi
hai nhóm nghiên cu ca Marshall Nirenberg và Gobind Khorana vào
tháng 6 nm 1966, và s ra đi ca K thut di truyn vào gia thp niên
1970 là hai s kin ni bt nht k t sau khi Sinh hc phân t ra đi. S
phát trin cùng vi nhng thành tu đt đc ca di truyn hc trong thi
gian qua qu là vô cùng to ln!
 góp phn đi mi ni dung giáo trình Di truyn hc Vi sinh vt và
ng dng theo hng cp nht kin thc cng nh phng pháp dy và
hc b môn  bc i hc, chúng tôi đã tham cu nhiu tài liu khác nhau
và n lc biên son giáo trình trên tinh thn y. Chúng tôi hy vng rng
giáo trình này s đáp ng đc phn nào nhu cu ging dy và hc tp
ca ging viên và sinh viên, và cng có th s dng nh mt tài liu tham
kho b ích cho giáo viên Sinh hc các trng THPT trong bi cnh đi
mi giáo dc hin nay.
Ni dung giáo trình gm Bài m đu và 8 chng: Chng 1 gii
thiu các đc đim ca di truyn hc vi sinh vt. Chng 2 - C s phân
t ca tính di truyn - trình bày khái quát v cu trúc và t chc ca các
b gene vi sinh vt và các c ch truyn thông tin di truyn ch yu là 
sinh vt tin nhân (prokaryote). Chng 3 đi sâu phân tích các khía cnh
ca các nguyên lý điu hoà biu hin gene  vi khun. Chng 4 - Bin d

 vi sinh vt - đ cp đn các quá trình bin đi ca vt cht di truyn 
các vi sinh vt (đt bin gene, sa cha DNA và các yu t di truyn vn
đng). Chng 5 tp trung vào lnh vc di truyn hc ca các virus.
Chng 6 trình bày các nguyên lý ca di truyn hc vi khun - tip hp,
bin np và ti np. Chng 7 gii thiu nhng hiu bit mi có tính cht
đi cng v di truyn vi nm và vi to. Và chng 8 tp trung trình bày
các khái nim, phng pháp và thành tu ca lnh vc công ngh DNA tái
t hp - to dòng gene  vi sinh vt, cng nh các ng dng ca nguyên lý
k thut di truyn liên quan vi sinh vt trong vic to ra các sinh vt bin
đi gene (genetically modified organisms = GMOs) và phóng thích chúng

2


vào môi trng.
Cui mi chng đu có các phn Câu hi và Bài tp và Tài liu tham
kho đ bn đc tin ôn tp và tra cu. Và, trong chng mc có th, các
thut ng khoa hc thông dng đc s dng bng ting Anh hoc chú
thích trong ngoc đn đ giúp ngi hc d dàng hn trong vic tip cn
thông tin qua sách báo nc ngoài hoc internet.
Giáo trình Di truyn Vi sinh vt và ng dng do ThS. Hoàng Trng
Phán và TS. Trng Th Bích Phng - các ging viên đang công tác ti
Khoa Sinh hc các trng i hc S phm và i hc Khoa hc, i
hc Hu - biên son, vi s phân công nh sau:
ThS. Hoàng Trng Phán ch biên vi Bài m đu và các chng 1, 2,
3, 6, và 8; TS. Trng Th Bích Phng biên son các chng 4, 5 và 7.
Chúng tôi xin trân trng cm n D án Giáo dc i hc Hu đã tài
tr cho vic biên son giáo trình trong khuôn kh ca D án Giáo dc
i hc mc B.
Chúng tôi xin bày t lòng cm n đc bit đn PGS. TS. Phm Thành

H - Trng i hc Khoa hc T nhiên, i hc Quc Gia Tp. H Chí
Minh đã dày công đc bn tho và cho nhiu ý kin quý báu.
Do kh nng còn hn ch, chc chn giáo trình còn nhiu thiu sót.
Chúng tôi rt mong nhn đc s phê bình và ch bo ca các đng
nghip và bn đc đ giáo trình đc hoàn chnh hn trong ln in sau.
Xin trân trng cm n!

Hu, ngày 10 tháng 5 nm 2006
Các tác gi,
HOÀNG TRNG PHÁN
TRNG TH BÍCH PHNG

3


Mc lc

Li nói đu
3
Mc lc
5
Bài m đu: Di truyn hc vi sinh vt và cuc cách
mng công ngh sinh hc
Hoàng Trng Phán
8
Chng 1: Các đc đim ca di truyn hc vi sinh vt
Hoàng Trng Phán
23
I. Lc s vi sinh vt hc 23
II. Các loi t bào 24

III. c đim ca vi sinh vt 30
IV. Các phng pháp nghiên cu đc thù ca di truyn hc VSV
và mt s phng pháp sinh hc phân t thông dng 34
V. Vai trò ca vi sinh vt trong đi sng và sn xut 44
Chng 2: C s phân t ca tính di truyn
Hoàng Trng Phán
50
I. S lc v thành phn hoá hc và cu trúc ca các nucleic acid 50
II. T chc phân t ca các nhim sc th vi khun và sinh vt
nhân chun 54
III. Tái bn DNA (DNA replication) 61
IV. Phiên mã (transcription) và các loi RNA  prokaryote 64
V. C ch dch mã (transcription)  prokaryote 69
Chng 3: iu hoà biu hin gene  vi khun
Hoàng Trng Phán
76
I. Các nguyên lý điu hoà 76
II. Mô hình Operon 77
III. iu hoà âm tính ca các operon cm ng: lac operon 79
1. Cu trúc ca lac operon 79
2. C ch điu hoà âm tính ca lac operon 80
3. Các th đt bin ca lac operon 81
IV. iu hoà âm tính ca các operon c ch: trp operon 84
1. Cu trúc ca trp operon 85

4


2. C ch điu hoà âm tính ca trp operon 85
V. S c ch d hoá (catabolite repression): iu hoà dng tính

ca lac operon 87
VI. S kt thúc phiên mã sm (attenuation)  trp operon 89
VII. S t điu hoà (autoregulation) 91
VIII. iu hoà  mc dch mã 92
Chng 4: Bin d  vi sinh vt
Trng Th Bích Phng
97
I. t bin gene  vi sinh vt 97
1. Các kiu đt bin gene 97
2. Các tác nhân gây đt bin (mutagens) 102
3. Phát hin các th đt bin 105
4. C ch phân t ca các đt bin gene 106
II. Sa cha và bo v DNA  vi khun 107
1. Quang phc hot (photoreactivation) 107
2. Sa cha bng ct b (excision repair) 107
3. Sa cha kt cp sai (mismatch repair) 109
4. Sa cha tái t hp và error-prone 110
5. Bo v DNA vi khun bng h thng các enzyme methylase
và restrictase 111
III. Các yu t di truyn vn đng (transposable genetic elements) 112
1. Các yu t di truyn vn đng  vi khun 112
2. Các yu t di truyn vn đng  virus 115
3. Các yu t di truyn vn đng  vi nm 115
Chng 5: Di truyn hc virus
Trng Th Bích Phng
118
I. c tính ca các virus 118
1. Tính đa dng v cu trúc và thành phn di truyn 118
2. Tính đc thù v vt ch (host specificity) 118
II. Di truyn hc th thc khun (bacteriophage hay phage) 118

1. S hình thành vt tan và các th đt bin phage 118
2. Tái t hp di truyn trong mt chu k sinh tan (lytic cycle) 120
3. S sp xp ca các gene trong nhim sc th phage 120

5


4. Lp bn đò cu trúc tinh vi vùng rII ca phage T4 122
5. Tính tim tan (lysogeny) và phage  125
III. Tái bn ca các virus 128
1. Các virus ca vi khun 128
2. Các virus thc vt 130
3. Các virus đng vt 131
4. Các virus gây ung th, HIV/AIDS 132
Chng 6: Di truyn hc vi khun
Hoàng Trng Phán
138
I. Làm vic vi vi khun 139
1. Các th đt bin ca vi khun 141
2. Kiu hình và kiu gene ca vi khun 142
II. Bin np (transformation)  vi khun 143
1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 143
2. C ch phân t ca bin np 143
III. Tip hp (conjugation)  vi khun 145
1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 145
2. Các plasmid và s truyn DNA  vi khun 150
3. Nòi Hfr 151
4. S xen plasmid F vào nhim sc th vt ch 152
5. Lp bn đ bng tip hp ngt quãng 154
6. Lp bn đ vi E. coli: Các plasmid F' và trc nghim cis-

trans
155
IV. Ti np (transduction) 156
1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 156
2. Ti np chung (generalized transduction) 156
3. Ti np chuyên bit (specialized transduction) 158
4. Lp bn đ các đt bin bng ti np 159
Chng 7: Di truyn hc vi nm và vi to
Trng Th Bích Phng
162
I. i cng v nghiên cu di truyn  mt s vi to thông dng 162
II. Phân tích di truyn  vi nm 163
1. Tính không dung hp  vi nm 163

6


2. Phân tích b bn và lp bn đ  vi nm 164
3. Phân tích di truyn trong chu trình cn hu tính (tái t hp
trong nguyên phân) 167
III. Nm men nh là E. coli ca các t bào eukaryote 168
1. Các nhim sc th nm men nhân to (YAC) 168
2. Nhng hiu bit mi v t chc ca các nhim sc th nm
men 170
3. Nhng hiu bit mi v tái bn và phiên mã ca b gene nm
men 170
4. Nhng hiu bit mi v DNA ty th ca nm men 172
Chng 8: Di truyn vi sinh vt và công ngh gene
Hoàng Trng Phán
175

I. Các công c thit yu ca k thut di truyn 175
1. Các enzyme gii hn và mt s enzyme khác 175
2. Các vector 178
II. Các phng pháp c bn ca vic xây dng phân t DNA tái t
hp in vitro 182
III. To dòng gene  vi khun 183
1. Phân lp và tách chit các đon DNA ngoi lai 184
2. Kin to phân t DNA tái t hp in vitro 184
3. Chn lc vt ch thích hp và chuyn các gene vào t bào ch 185
4. Xác đnh các vi khun tái t hp 186
5. Phát hin và sàng lc nucleic acid ngoi lai và protein 188
6. Cho biu hin gene ngoi lai 190
IV. Phóng thích ra môi trng các sinh vt đc bin đi gene 193
V. S dng các vi sinh vt đ chuyn gene vào các thc vt 196
VI. S dng các vi sinh vt đ chuyn gene vào t bào đng vt 208
VII. To các ging vi sinh vt mi bng k thut di truyn 211
VIII. Mt s ng dng khác ca k thut di truyn  vi sinh vt 211


7
Bài m đu
Di truyn hc Vi sinh vt và Cách mng
Công ngh Sinh hc
I. S ra đi và phát trin ca di truyn hc và công ngh DNA
tái t hp
S ra đi và phát trin ca di truyn hc gn lin vi tên tui ca
Gregor Mendel nm 1865 và tri qua các giai đon sau đây.
1. S ra đi và phát trin ca di truyn Mendel
T đu Hà Lan (Pisum sativum), vi ý tng và
phng pháp nghiên cu đc đáo, nm 1865

Gregor Mendel (Hình 1) đã phát hin ra các quy
lut di truyn c s đu tiên và qua đó suy ra s tn
ti tt yu ca các đn v đi truyn đc thù - nhân t
di truyn (genetic factor) - quy đnh các tính trng
đc truyn t th h này sang th h khác mà sau
này gi là gene. Tuy nhiên, gii khoa hc đng
thi không hiu và do đó không th đánh giá tm
vóc v đi ca phát minh này.

Hình 1 G. Mendel
Mãi đn nm 1900, ba nhà thc vt hc là Carl Correns (Germany),
Hugo de Vries (Netherlands) và Erich von Tschermak (Austria) đc lp
nhau khám phá li các quy lut di truyn ca Mendel. Và di truyn hc
chính thc ra đi t đây mà ngi sáng lp là Mendel.
2. S ra đi và phát trin ca thuyt di truyn nhim sc th
T 1910, Thomas Hunt Morgan (Hình 2) cùng
vi ba cng s là Alfred H.Sturtevant, Calvin
Bridges và Herman J. Muller đã xây dng thành
công thuyt di truyn nhim sc th (chromosome
theory of inheritance) da trên đi tng nghiên
cu là rui gim Drosophila melanogaster. Hc
thuyt này xác nhn rng gene là đn v c s ca
tính di truyn nm trên nhim sc th ( trong
nhân); trên đó các gene sp xp theo đng thng
to thành nhóm liên kt. Nhng đóng góp đáng k ca các môn đ xut
sc ca Morgan đó là: xây dng bn đ di truyn (Sturtevant 1913), ch ra
c ch xác đnh các kiu hình gii tính  rui gim (Bridges 1916) và phát

Hình 2 T.H.Morgan

8
trin phng pháp gây đt bin bng tia X (Muller 1927). Vi đóng góp to
ln đó Morgan đã đc trao gii Nobel nm 1933 và Muller nm 1946.
Nm 1931, Barbara McClintock (Hình 3) và
Harriet Creighton thu đc bng chng vt lý trc
tip v tái t hp  ngô. Sau đó, hin tng này
cng đc C. Stern quan sát  Drosophila. Nh
vy tái t hp có th đc phát hin c v mt vt
lý ln di truyn  đng vt cng nh  thc vt.
n 1944, McClintock phát hin các yu t di
truyn vn đng (transposable genetic elements),
và bà đã đc trao gii Nobel nm 1983 v khám
phá này.

Hình 3 B.McClintock
3. S ra đi và phát trin ca di truyn hc phân t
S ra đi ca di truyn hc phân t (molecular genetics) gn lin vi
các khám phá v DNA (deoxyribonucleic acid) t gia th k XX trên đi
tng nghiên cu ch yu là các vi sinh vt. Tuy nhiên, trc đó Friedrich
Miescher (1869) đã khám phá ra mt hn hp trong nhân t bào gi là
nuclein mà thành phn chính ca nó sau này đc bit là DNA.







V mi quan h gia gene và protein, t 1902 Archibald Garrod qua
nghiên cu bnh alcaptonuria  ngi đã gi ý rng đây là mt tính trng

ln Mendel, có th liên quan ti s sai hng mt enzyme. Bng các thí
nghim gây đt bin các gene liên quan đn các con đng sinh hóa trên
nm mc Neurospora, nm 1941 George Beadle và E.L.Tatum (Hình 4)
xác nhn mi gene kim soát s tng hp mt enzyme đc thù. Chính gi
thuyt mt gene-mt enzyme (one gene-one enzyme hypothesis) ni ting
này đã m đng cho s ra đi ca di truyn hóa-sinh, và hai ông đã đc
trao gii Nobel cùng vi Joshua Lederberg nm 1958. V sau, gi thuyt
này đc chính xác hóa là mt gene xác đnh ch mt chui polypeptid -
cu trúc s cp ca các protein, trong đó có các enzyme.

Hình 4 Beadle, Tatum, Jacob và Monod
(t trái sang)
Vy bn cht ca gene là gì? Nm 1944, Oswald Avery (Hình 5) và

9
các cng s là MacLeod và McCarty bng thí nghim bin np in vitro đã
chng minh rng DNA là vt cht mang thông tin di truyn. Nm 1949,
Erwin Chargaff công b các kt qu đu tiên v thành phn hóa hc ca
DNA mt s loài.

Hình 5 O.T. Avery, MacLeod và McCarty (t trái sang)
Vic nghiên cu cu trúc phân t DNA đc bt đu t 1951 vi các
dn liu nhiu x tia X ca Rosalind Franklin và Maurice Wilkins (Hình
6). Các s liu hóa hc và vt lý này là c s mà t đó James Watson và
Francis Crick (Hình 7) đã xây dng thành công mô hình cu trúc phân t
DNA nm 1953, còn gi là chui xon kép (double helix). Phát minh v
đi này m ra k nguyên mi cho s phát trin ca di truyn hc và sinh
hc nói chung. Vi phát minh đó, Watson và Crick cùng vi Wilkins đc
trao gii Nobel nm 1962 . K t sau đó là s ra đi ca hàng lot các
công trình nghiên cu trong lnh vc sinh hc phân t, đáng k là vic gii

mã di truyn đc hoàn tt vào tháng 6 nm 1966 bi hai nhóm nghiên
cu ca M. Nirenberg và H. Khorana (gii Nobel nm 1968).


Hình 6 R.Franklin (trái), M.Wilkins. Hình 7 J.D.Watson (trái) và F.H.C.Crick
4. S ra đi và phát trin ca công ngh DNA tái t hp
Có th nói, nn tng ca công ngh DNA tái t hp (recombinant
DNA technology) đc thành lp t 1972 khi Paul Berg (Hình 8) to ra
phân t DNA tái t hp đu tiên trong ng nghim (recombinant DNA in

10
vitro). Mt nm sau Herbert Boyer và Stanley Cohen (Hình 8) ln đu tiên
s dng plasmid đ to dòng DNA. Lnh vc ng dng mi này ca sinh
hc phân t đã to ra mt cuc cách mng mi trong sinh hc. óng góp
đáng k trong lnh vc này là khám phá v các enzyme gii hn
(restriction enzyme) t 1961-1969 ca Werner Arber, Daniel Nathans và
Hamilton Smith (gii Nobel 1978; Hình 8); đ xut các phng pháp xác
đnh trình t base trong các nucleic acid nm 1977 bi P.Berg, W.Gilbert
và Frederick Sanger (gii Nobel hóa hc 1980; Hình 8); s khám phá ra
các gene phân đon (split gene) nm 1977 bi Phillip Sharp và Richard
Robert (gii Nobel 1993; Hình 8); s phát minh ra phng pháp PCR
(polymerase chain reaction) ca Kary B.Mullis nm 1985 (Hình 8) và
phng pháp gây đt bin đnh hng (site-directed mutagenesis) ca
Michael Smith t 1978-1982 (gii Nobel hóa hc 1993)

Hình 8A Các nhà khoa hc đot gii Nobel y hc liên quan k thut
gene. T trái sang: D.Nathans, H.Smith, W.Arber, P.Sharp và R.Robert.









Hình 8B Các nhà khoa hc đot gii Nobel hóa hc liên quan k thut
gene. T trái sang: H.Boyer, S.Cohen, P.Berg, W.Gilbert, F.Sanger và
K.Mullis.
Cùng vi nhng thành tu ng dng ly k trong sn xut và đi sng
xã hi, nh vic sn xut các ch phm y-sinh hc bng công ngh DNA
tái t hp, s dng liu pháp gene (gene therapy) trong điu tr bnh di
truyn, to các ging sinh vt mi bng con đng bin đi gene
(genetically modified organisms = GMOs), d án b gene ngi (Human
Genome Project = HGP) gây ra không ít hoài nghi, tranh cãi xung quanh
các vn đ v đo lý sinh hc (bioethics) và an toàn sinh hc (biosafety).

11
II. Di truyn hc vi sinh vt vi cách mng công ngh sinh hc
Cho đn đu thp niên 1940 các vi sinh vt, bao gm các vi khun và
virus ca chúng và các vi sinh vt nhân chun đn bào nh nm men, nm
mc thc s tr thành các đi tng nghiên cu chính yu ca di truyn

hc. T đây hình thành các lnh vc di truyn hc sinh-hoá và di truyn
hc vi sinh vt, hai nn tng chính cho s ra đi ca di truyn hc phân t
(1953) và công ngh ADN tái t hp sau này (1978).
 đây vi khun E. coli đc xem là mt sinh vt mô hình nht quán
tuyt vi ca di truyn hc hin đi. Nó đc s dng mt cách rng rãi
trong các thí nghim chng minh các phng thc tái bn bán ca DNA
(Meselson và Stahl 1958; John Cairns 1961; Okazaki 1969), phân tích tái
t hp và lp bn đ di truyn, nghiên cu cu trúc tinh vi và chc nng
sinh hoá ca gene (Benzer 1961; Yanofsky 1961); c ch điu hoà sinh
tng hp protein (Jacob và Monod 1961) v.v. Nm men bia S.s cerevisiae
cng sm đc s dng làm mô hình cho các nghiên cu di truyn hc
eukaryote và ng dng rng rãi trong công ngh DNA tái t hp sau này.
Vi s phát trin vô cùng nhanh chóng ca di truyn hc trong vài
thp niên qua, đc bit là s tin b ca công ngh sinh hc
(biotechnology) nói chung đã có nhng tác đng mnh m lên nhiu
ngành khoa hc và trên mi mt ca đi sng, kinh t, chính tr và xã hi
 phm vi toàn cu. Di truyn hc nói chung và di truyn hc vi sinh vt
nói riêng đc hình dung  v trí trung tâm và giao thoa vi sinh hc, hóa
sinh hc, k ngh, y-dc, nông nghip, sinh thái hc, kinh t hc, lut, xã
hi hc và trit hc (Hình 9).

Hình 9: Tác đng ca di truyn hc (vi sinh vt) lên các lnh vc khác nhau.

12
Giáo s danh d môn hóa hc  i hc Havard, F.H.Westheimer,
bình lun v sinh hc phân t nh sau:"Cuc cách mng trí tu v đi nht
ca 40 nm qua đã xy ra trong sinh hc. Liu có th tìm ra mt ngi
nào đó có hc ngày nay mà không hiu bit chút gì v sinh hc phân t?"
(Weaver và Hedrick 1997, tr.15).
Các thành tu đt đc nh ng dng di truyn hc trong nông nghip

là vô cùng to ln, góp phn to nên cuc cách mng mi vi s ra đi ca
hàng lot các ging vt nuôi-cây trng có u th vt tri, các sinh vt
bin đi gene (GMO) mang nhng đc tính hoàn toàn mi l.
Trong y hc, đó là s ra đi ca hàng lot các dc phm đc sn
xut bng k thut di truyn dùng cho điu tr bnh và ci bin trí thông
minh ca con ngi; đó là các phng pháp chn đoán và điu tr bnh 
mc phân t v.v. Nhng vn đ này s đc đ cp  chng 8.
Có th nói, s thành công ca d án b gene ngi (HGP) vào tháng 4
nm 2003 cho phép chúng ta ln đu tiên đc đc toàn b trình t
khong 3,2 t cp nucleotide trong b gene con ngi (Homo sapiens).
HGP là mt trong nhng k công thám him v đi nht trong lch s nhân
loi (NHGRI 2005). Theo c tính mi nht đc công b ngày
21/10/2004 trên tp chí Nature, b gene chúng ta cha s lng gene mã
hóa protein thp mt cách đáng kinh ngc, khong 20.000 đn 25.000 ch
không phi là 50.000 đn 140.000 gene nh d đoán ban đu hoc 35.000
theo d đoán trong vài ba nm li đây (NHGRI 2005).
Tuy nhiên, nhng thách thc cho tng lai ca nghiên cu khoa hc
v các b gene (genomics) đi vi sinh hc, vn đ sc khe và xã hi
cng đc đt ra (Collins và cs 2003) . S hoàn tt ca HGP t nó không
có ngha là đã xong mà đúng hn là đim khi đu cho công cuc nghiên
cu thm chí còn hng thú hn. Các nhà nghiên cu hin gi đang c
gng làm sáng t mt s quá trình phc tp nht ca sinh hc, đó là: mt
đa bé phát trin t mt t bào đn l bng cách nào, các gene phi hp
chc nng ca các mô và c quan nh th nào, s tin đnh bnh tt xy ra
nh th nào và b não ngi làm vic ra sao (NHGRI 2005).
III. i cng v Genomics và mi liên quan gia nó vi các
lnh vc nghiên cu khác

S tin b nhanh chóng gn đây ca sinh hc phân t và công ngh
sinh hc (biotechnology), nh đã nói trên, là nh s phát trin mnh m

ca các phng pháp và k thut mi trong sinh hc phân t nh: (i) Kính
hin vi đin t; (ii) Tách chit và phân tích đnh tính và đnh lng thô
nucleic acid; (iii) Xác đnh trình t nucleic acid ca gene (bng phng

13
pháp hoá hc ca Maxam và Gilbert và bng phng pháp didesoxy ca
Sanger); (iv) Lai phân t nucleic acid; (v) ánh du đng v phóng x và
s dng các mu dò; (vi) PCR; (vii) To dòng DNA tái t hp; (viii) Gây
đt bin đnh hng; v.v.
Tuy nhiên, chính s kt hp tin hc và máy tính trong nghiên cu sinh
hc phân t đã dn ti s ra đi ca hàng lot các lnh vc nghiên cu
mi, đó là: Tin-sinh hc (bioinformatics) cho phép thu thp, t chc và
phân tích s lng ln các s liu sinh hc nh s dng mng máy tính và
các ngun d liu (databases); Khoa hc v b gene hay B gen hc
(Genomics) - phân tích toàn b genome ca mt sinh vt đc chn; DNA
microchip technology - xác đnh các đt bin trong các gene; DNA
microarray technology - nghiên cu cách thc mt s lng ln các gene
tng tác ln nhau và c ch mng li điu hòa ca t bào kim soát
đng thi s lng cc k ln các gene; v.v.
Di đây là mt s khái nim c bn v Genomics và các lnh vc
liên quan đn k nguyên sau b gene (Post-genomic Era). ây chính là
cánh ca mi v -OME và -OMICS hin đc ph bin trên các trang web
(-OME and -OMICS Gateway):


Bên cnh s phát trin ca lnh vc genomics là s ra đi ca khoa
hc v b protein (Proteomics) và nhiu lnh vc -omics khác, nh:
Transcriptomics; Cellomics; Metabolomics; Ionomics v.v. Di đây
chúng ta ch tìm hiu v genomics và mt s vn đ liên quan đ làm sang
t tc đ phát trin chóng mt ca các ngành khoa hc mi m này.

1. Genomics
Vic gii thành công trình t DNA ca b gene (genome) ngi và
ca hàng lot các sinh vt mô hình đã đc tin hành trong sut thp niên
1990 và tip din cho đn nay. [Các kt qu này đã đc công b rng rãi
trên nhiu trang web ni ting, ví d: ]. Chính
điu này dn đn s ra đi ca mt lnh vc khá mi m gi là khoa hc
v b gene (genomics).
Các tri thc bt ngun t khoa hc v b gene (genomics) cho phép
chúng ta không nhng hiu sâu và chi tit v các c ch phân t ca s
sng mà còn to nên cuc cách mng tht s trong nông nghip, y-dc
hc và nhiu lnh vc k thut và công ngh khác. Nó cng cung cp cho
chúng ta nhiu cách tip cn mi nhm phát hin, bo tn và s dng tính
đa dng sinh hc. Bên cnh đó nó còn thúc đy phát trin các th h máy

14
tính và phn mm mi da trên s mô phng cách thc truyn tín hiu
chính xác và tinh vi ca các t bào.
Có th nói, s hiu bit chi tit v cu trúc và chc nng ca b gene
ngi và b gene các sinh vt khác là đnh cao ca công ngh gene.
Genomics đã phát sinh ra mt khoa hc mi nghiên cu toàn b b
gene bng cách xâm nhp vào các môn di truyn hc truyn thng nh là
di truyn hc qun th, s lng và phân t vi nhng công ngh mi
trong sinh hc phân t, phân tích DNA, tin sinh hc và các h thng robot
t đng hoá (Hình 1.10).

Hình 1.10 Genomics mt môn hc rng ln xâm nhp vao các khu vc truyn
thng ca di truyn hc (phng theo các Hình 1.1 và 1.2 trong Liu 1998).
Ngun:

15

Mt s lng ln các phân môn ca genomics có th t hp li đ
cung cp mt cách tip cn mnh m cho nghiên cu s bin đi di truyn
thích hp nh: Genomics cu trúc (Structural genomics); Genomics chc
nng (Functional genomics)- Genomics so sánh (Comparative genomics);
Genomics kt hp (Associative genomics); Genomics thng kê (Statistical
genomics) v.v.
1.1. Genomics cu trúc (Structural genomics)
Genomics cu trúc c gng hng ti xác đnh toàn b các gene trong
mt b gene, đôi khi gi là khám phá gene, và xác đnh v trí ca chúng
trên các nhim sc th. Mc tiêu này đt đc bng cách phân tích trình t
các gene riêng l, các đon gene hoc toàn b b gene Các gene riêng l
đc xác đnh t trình t DNA thông qua các chng trình x lý bng
máy tính (sophisticated computer algorithms). Các chc nng sinh hoá ca
mt gene đc suy din thông qua s so sánh trình t DNA đó vitình t
ca các gene có chc nng đã bit trong ngân hàng d liu. Mt trong các
áp dng ni bt nht ca genomics cu trúc là nghiên cu s bin đi di
truyn thích nghi là phân tích các locus tính trng s lng (quantitative
trait loci = QTL) thông qua lp bn đ b gene (genome mapping). Tuy
nhiên, mc đích ca cách tip này là nhm gii thích cu trúc b gene
(enomic structure) và s tng tác gene (gene interaction)  mc đ b
gene hn là chc nng ca nó, không ging nh genomics chc nng.
1.2. Genomics chc nng (Functional genomics)
Genomics chc nng đi sâu tìm hiu chc nng ca các gene và cách
thc chúng xác đnh các kiu hình. Mt trong nhng li th chính ca
genomics chc nng là s dng các vi mng DNA (DNA microarray; cng
gi là các chíp DNA = “DNA chips”) đ đo s biu hin đc thù ca hàng
ngàn gene mt cách đng thi. DNA microarray cha hàng ngàn mu
DNA hoc các trình t oligonucleotide đc in hoc tng hp trên màng
lc nylon (nylon membrane filter) hoc slide kính hin vi trong mt kiu
chính xác đã đc bit và đi din cho hàng ngàn gene trong b gene. Mi

chm DNA đi din cho mt gene duy nht mà đc dùng đ đo lng
đnh lng s biu hin ca mRNA (messenger RNA) bng cáh đem lai
vi mNA có đánh du hunh quang (fluorescent labelled mRNA) (Hình
1.11).

16


Hình 1.11 S dng các DNA microarray trong phân tích s biu hin bit hoá
ca các gene (T Albelda và Sheppard 2000). Thí nghim lai so sánh liên quan
ti vic cách ly mRNA t hai mu riêng bit (A). mRNA t mi mu đc x lý
vi reverse transcriptase (B) và đc đánh du vi mt đích hunh quang riêng
(C). Hai công c RNA đanh du đc trn ln, lai vi nhau đ cho DNA
microarray có cha mt b đy đ gm hàng ngàn hoc hàng chc ngàn trình t
DNA da trên b gene hoc hoc các trình t DNA b sung (cDNA), và ra sch
(D). Microarray array này đc quét nh s dng mt máy ghi hình hunh
quang chuyên dng (specialised fluorimage), và màu sc ca mi chm s đc
xác đnh (E). Trong ví d này, các gene ch đc biu hin  Mu A s có màu
đ, các gene ch biu hiên  Mu B s có màu xanh và các gene y đc biu
hin ngang bng nhau trong c hai mu ãe cho màu vàng. iu này cho phép
nhà nghiên cu xác đnh các gene đc biu hin mt cách đc bittong vic
đáp ng vi vic x lý hoc bnh,hoc các gene đc thù cho mô đc biu hiên
 mt mô, ch không phi  các mô khác.


17

Hình 1.12
2.1.3. Genomics so sánh (Comparative genomics)
Genomics so sánh s dng thông tin t các loài khác nhau và tr giúp

cho vic hiu bit t chc và s biu hin ca gene cng nh s sai khác
v mt tin hoá. Nó có li th v s bo tn cao đ ca gene v cu trúc
và chc nng (ngha là có sai khác nh ngang qua các đn v phân loi đa
dng) và áp dng nguyên lý này theo cách thc gia các loài
(interspecific) trong s tìm kim các gene chc nng và s t chc b
gene ca chúng. Genomic so sánh còn tng cng nghiên cu bng cách
kim tra s đa dng ca các sinh vt mô hình (model organisms) mà trong
đó các tính trng sinh lý, phát trin hoc sinh hoá đã đc sn sàng đ
nghiên cu.
c bit là các nghiên cu genomics  các thc vt có hoa nh nh
cây ci Brassica, Arabidopsis thaliana, vn đc s dng rng rãi nh là
các loài mô hình, mà s liu trình t ca b gene đã đc gii xong ri.
Mt trình t b gene đy đ ca cây dng (populus) chng bao lâu na
cng s có sn cho phân tích genomics so sánh.
2. Xác đnh trình t DNA ca toàn b các b gene
Vic gii hoàn tt trình t các b gene ca nhiu loài quan trng và mô
hình là mt thành tu đáng k ca genomics, vn cung cp c s cho phân
tích so sánh v cu trúc và chc nng. Các câu tr li cho các câu hi

18
chng hn nh: (1) s lng, s đnh khu và phân b ca các gene trong
genome; (2) t chc ca gene và chc nng ca chúng; (3) các gene nào là
ging nhau hoc đc bo tn cao bng qua các loài khác nhau; và (4) các
gene nào chu trách nhim cho các loài thích nghi và tin hoá mà có th
thu nhn đc bây gi. Các trình t b gene đy đ đã đc xác đnh cho
nm men bia Saccharomyces cerevisiae (5/1997), giun tròn
Caenorhabditis elegans (12/1998), rui gim Drosophila melanogaster
(3/2000), thc vt có hoa hàng nm Arabidopsis thaliana (12/2000), con
ngi (2/2001), và còn nhiu loài khác sos liu gii trình t cng sp hoàn
thành nh chut, lúa, ngô, v.v Hin gi có th xác đnh bng thí nghim

trình t b gene đy đ ca các cây rng nh là cây dng Populus (500
triu cp base) hay Eucalyptus (340-580 triu cp base).
S lng các gene trong mt b gene là có gii hn và không quá cao
nh đã đc d đoán trc đây (c th, ch ~26,000  các thc vt và
đng vt, trong khi ~6,000  nm men bánh m, Bng 1.1). Hn na nhiu
gene là chung cho các loài và đc bit là không thay đi trong s tin hoá
đã qua. Chng hn, ch có 94 trong s1278 h protein trong b gene ngi
dng nh là đc trng cho các đng vt có xng sng. Chc nng c s
nht trong s các chc nng ca t bào - chuyn hoá c s, s phiên mã
ca DNA thành RNA, s dch mã ca RNA thành protein, s tái bn DNA
- ch tin hoá mt lúc và hu nh gi nguyên không đi k t s tin
hoá ca nm men đn bào và vi khun.
Bng 1.1 Kích thc b gene ca nhiu loài đem so sánh
Phm vi phân
loi
Tên Latin Tên chung n
S bp
(x 10
6
)
Genes (x
10
3
)
Prokaryote
Vi khun c 12
1
VSV c - 1,6-3,0 1,5-2,7
Vi khun 40
1

VSV vk - 0,6-7.0 0,5-6,6
Vi khun
Escherichia coli
2
không có - 4,6 4,3
Eukaryote
Nm men bia
S. cerevisiae
2
men b/m 16 12 6
Giun
C.elegans
2
giun tròn 5/6 97 19
Côn trùng
D.melanogaster
rui gim 4 180 13,6
TV ht kín
A. thaliana
2
arabidopsis 5 125 25,5
TV ht kín
Oryza sativa
2
lúa go 12 400 ?
TV ht kín
Zea mays
2
ngô 10 2400-3200 ?

19
TV ht kín
L.esculentum
khoai tây 12 900 ?
TV ht kín
Eucalyptus
3
bch đàn 11 340-580 ?
Cây rng/TV ht
trn
Thông
3
thông 12 20.000-
30.000
?
Gm nhm
Mus musculus
2
chut 20 3.500 21-30
Linh trng
Homo sapiens
2
ngi 23 3.400 26-31
1
S loài có các trình t b gene đã đc gii đy đ.
2
Các loài có s liu trình t b gene đy đ hoc hu nh đy đ.
3
S liu da trên nhiu loài.
(Ngun:

Hình 1.13 So sánh s lng và mt đ gene  ba loài E. coli, nm men bia ny
chi S. cerevisiae và giun tròn C. elegans.
Genomics so sánh khám phá đc tính bo tn ca gene nh th, đã
giúp cho vic hiu bit và suy ra chc nng ca mt gene c th t các s
liu thu đc đi vi các gene tng đng ging nhau (similar
homologous genes) đã đc nghiên cu  các sinh vt khác. Khá nhiu
chc nng ca các gene cây rng có th hc đc t các s iu thu đc 
các sinh vt khác, chng hn nh Arabidopsis. Trong s các thách thc
khác nhau là tính phc tp và kích thc ln ca các b gene cây ci
(Bng 1.1). Kích thc ca b gene cây thông (20,000-30,000 triu cp
base), chng hn, là ln gp 6 đssen 8 ln so vi b gene ngi (3,400
triu cp base), và 150 đn 200 ln ln hn b gen ca Arabidopsis (125
triu cp base). Ngay c kích thc vt lý tng đi nh ca b gene cây
dng Populus (500 triu cp base), vn 40 ln bé hn loài thông Pinus
taeda (đã đc nghiên cu rât k) s ging nh b gene cây rng đu tiên
đã đc gii toàn b trình t, s bng khong 4 ln b gen Arabidopsis
(mc dù ging vi lúa và 6 ln bé hn ngô, c hai hu nh đu đã đc
gii trình t đy đ).
Cùng vi s phát trin nhanh chóng và vô cùng hp dn nh vy ca

20
lnh vc genomics, hàng lot các công ty c phn doanh nghip nhà nc
(doanh nghip công) và t nhân đua nhau ra đi, đc bit là  các quc gia
đi đu trong lnh vc này nh: M , c, Pháp, Anh, Canada, B , Nht,
Úc, Thu in, v.v.
Hình 1.14 và 15 di đây cho thy s phát trin tng tin v s lng
ca các công ty c phn doanh nghip công  M t nm 1994 đn 2000,
cng nh t trng u th ca các hãng genomics  M so vi các cng
quc khác v công ngh sinh hc.

Hình 1.14 S phát trin tng tin v s lng ca các công ty c phn doanh
nghip công v genomics  M t nm 1994 đn nm 2000.

Hình 1.15 T trng u th ca các hãng genomics công và t nhân  M so
vi các cng quc khác v công ngh sinh hc.
IV. Các nguyên tc nghiên cu và phng pháp hc tp b môn
1. Các nguyên tc nghiên cu
Trong nghiên cu di truyn hc vi sinh vt và sinh hc nói chung có
các nguyên tc chung cn tuân th nh là phng pháp lun, sau đây: (1)

21
Ly t bào làm đn v nghiên cu; (2) Thông tin di truyn cha trong b
gene t bào chi phi mi biu hin sng ca nó mà các gene là đn v di
truyn c s; (3) S hot đng ca các gene trong quá trình phát trin cá
th là đc trng cho tng gene  tng giai đon c th; (4) Các quá trình
trong các h thng sng phi đc điu hòa và kim soát đ đm bo cho
s tn ti ca nó là liên tc, trong đó ph bin là s t điu chnh bng các
c ch phn hi thông tin (feed-back mechanism); (5) S thng nht gia
cu trúc và chc nng biu hin  tt c các mc đ t chc khác nhau ca
s sng; (6) Tt c các t chc và quá trình sng đu tuân theo các quy
lut vt lý và hóa hc; (7) S sng trên trái đt tri qua quá trình tin hóa
khong 3,5 t nm qua, vì vy khi so sánh, nhng nét tng đng gia
chúng cho thy tính thng nht v mt ngun gc và nhng nét d bit cho
thy tính phát trin, s phân hóa đa dng tt yu ca chúng.
2. Phng pháp hc tp b môn
Cng nh bt k môn hc nào khác, vic hc tp di truyn hc vi sinh
vt đòi hi phi nm vng lch s môn hc, đi tng, nhim v, phng
pháp nghiên cu và h thng kin thc cn bn ca nó. Bên cnh các
nguyên tc nói trên vn rt cn cho t duy trong hc tp,  đây xin nêu vài

nét chính liên quan đn phng pháp hc tp đc thù ca b môn.
(1) Nm vng các kin thc liên môn (nh t bào hc, hóa sinh hc,
mà trên ht là di truyn hc và vi sinh vt hc) và liên ngành (nh toán
thng kê-xác sut, vt lý và hóa hu c).
(2) Nm vng h thng khái nim c bn cng nh các thut ng mi
không ngng ny sinh. Chng hn, gene là khái nim cn bn có ni hàm
không ngng đc phát trin sâu rng. c bit, trong thi đi ngày nay,
vi s m ra mt k nguyên mi - K nguyên sau b gene (Post-genomic
Era), hàng lot thut ng và lnh vc nghiên cu mi liên quan vi nhng
cánh ca -ome và -omics đng lot ra đi và gn lin vi s phát trin ca
Tin-sinh hc (Bioinformatics) nh: genome vi genomics, proteome vi
proteomics, transcriptome vi transcriptomics,
(3) Hiu rõ bn cht ca các nguyên lý di truyn trong tng ch đ
cng nh mi liên quan gia chúng đ có th gii thích và vn dng trong
gii quyt các bài toán hoc tình hung ca đi sng và thc tin sn xut.
(4)  nm kin thc và phát trin các k nng t duy mt cách vng
chc đòi hi phi bit vn dng kin thc vào gii bài tp cng nh các k
nng thc hành thí nghim.
(5) Di truyn hc vi sinh vt là mt khoa hc thc nghim, nên thông
tin thu đc là nh các quan sát t th gii vi sinh vt, và phng pháp

22
khoa hc chính là công c đ hiu bit các quan sát đó. Nói đn phng
pháp nghiên cu khoa hc là nói đn các bc tin hành theo mt trình t
t chc công vic cht ch sau đây: Quan sát  Gi thuyt  D đoán 
Thc nghim (đ kim tra gi thuyt đt ra)   xut gi thuyt mi.
(6) Trong khi hc giáo trình, bn nên làm ít nht mt tiu lun v mt
vn đ cp nht mà mình yêu thích. Công vic này đòi hi s say mê tìm
tòi các thông tin mi, đc bit là thông qua mng internet, đ vit bài tng
lun khoa hc và trình bày trong mt seminar. iu quan trng là phi to

cho mình mt hoài bão hc tp, mt kh nng và phng pháp t hc.
(7) Bi di truyn hc vi sinh vt và các ng dng ca nó là mt lnh
vc khoa hc non tr nhng phát trin vi tc đ ht sc nhanh chóng, cho
nên khi lng kin thc mi tích ly đc là vô cùng phong phú và đa
dng.  có th cp nht thông tin v môn hc đòi hi phi tng cng
kh nng s dng ting Anh và internet. áng k là các trang web đc
gii thiu sau mi chng, hoc có th s dng ngay các t khóa (key
words) đc cho  tng ch đ đ tìm kim vi công c mnh nht hin
nay là Google ( hoc bng các công c khác
nh: MSN ( Yahoo ( hoc
Wikipedia (

Tài liu Tham kho
Phm Thành H. 2005. Nhp môn công ngh sinh hc. NXB Giáo Dc.
Atlas, RM. 1995. Principles of Microbiology. St. Louis, Missouri: Mosby.
FAO:
Kimball J. 2004: com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/
Madigan, MT and JM Martinko. 2006. Brock Biololy of Microorganisms.
11th ed. Pearson Prentice Hall, Inc. Upper Saddle River, New Jersey.
Maloy, S. 2006. Microbial Genetics.

Nature -OMICS Gateway:


TIGR Microbial Genome Database.2005.

DOE Microbial Genome Program Report. 2005.


23

Chương 1
Các ñc ñim ca Di truyn hc
Vi sinh vt
I. Sơ lưc lch s vi sinh vt hc
Vi sinh vt (microorganisms, microbials) là tên gi chung dùng ñ ch
tt c các sinh vt có hình th bé nh mà ch có th nhìn thy dưi kính
hin vi quang hc hoc kính hin vi ñin t. Lĩnh vc nghiên cu này gi
là Vi sinh hc (microbiology), ra ñi cách ñây hơn 300 năm bi Antoni
van Leeuwenhoek (1676; hình 1.1) vi khám phá ñu tiên các vi sinh vt
bng kính hin vi ñơn gin.
V lch s phát trin ca vi sinh hc, các tác gi khác nhau phân chia
không ging nhau (bn ñc có th tham kho  các tài liu ñưc gii thiu
dưi ñây). Chng hn:
Theo Nguyn Thành ðt (2005), có th chia làm 4 giai ñon: giai ñon
sơ khai (vi ñi din là A. van Leeuwenhoek), giai ñon Pasteur, giai
ñon sau Pasteur và giai ñon hin ti.
Madigan và Martinko (2006, tr.9-20) xét qua 4 thi kỳ: (i) Nh!ng gc
r lch s ca vi sinh hc - Robert Hook, van Leeuwenhoek và Cohn; (ii)
Pasteur, Koch và các k" thut nuôi cy thanh trùng; (iii) Tính ña dng vi
sinh vt và s ra ñi ca vi sinh vt hc ñi cương; và (iv) K# nguyên hin
ñi ca vi sinh vt hc.
$ ñây, tm xét theo quan nim ca McKane và Kandel (1996). Có th
nói rng t% na sau th& k# XIX, s phát trin ca vi sinh hc g'n lin vi
bn hưng nghiên cu chính ñưc tóm lưc như sau:
 Tranh lun v thuyt t sinh (spontaneous generation controversy):
Hàng lot các bng chng và lý l( vưt th'ng thuy&t t sinh, tiêu biu là
các công trình ca Spallanzani (1765), Schroeder và von Dusch (1854),
Pasteur (1861) và Tyndall (1877).