DI TRUYỀN VI KHUẨN: TỔ CHỨC, CƠ CHẾ, ĐIỀU HÒA, CHUYỂN GIAO - SINH HỌC - 2025

Các di truyền của vi khuẩn là việc nghiên cứu các căn cứ của thông tin di truyền trong các tế bào của vi khuẩn. Điều này bao gồm việc tổ chức thông tin di truyền, cách thức thông tin di truyền được điều chỉnh, cách nó được biểu hiện và sự khác nhau của nó.

Các thí nghiệm đầu tiên về di truyền vi khuẩn được thực hiện vào thế kỷ 19, trong bối cảnh lịch sử mà người ta vẫn chưa biết liệu vi khuẩn có cơ chế trao đổi thông tin di truyền hay không, thậm chí còn không biết liệu chúng có sở hữu nhiễm sắc thể hay không.

DNA của vi khuẩn (Nguồn: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Bản dịch Sponk (nói chuyện): Tác phẩm phái sinh Sponk (nói chuyện): Radio89 qua Wikimedia Commons)

Điều chắc chắn thực sự duy nhất là vi khuẩn có thể thiết lập các dòng ổn định với các kiểu hình khác nhau, ít nhất là để đồng hóa các hợp chất dinh dưỡng khác nhau, và đôi khi các dạng mới xuất hiện, dường như là do đột biến gen.

Với sự không chắc chắn lớn tồn tại về vi khuẩn vào thời điểm đó, bắt buộc phải trả lời một số câu hỏi nhất định về "di truyền vi khuẩn" bằng thực nghiệm, đặc biệt là phải hiểu liệu vi khuẩn có đáp ứng các nguyên tắc cơ bản của di truyền hay không.

Cuối cùng, vào năm 1946, Joshua Lederberg và Edward Tatum đã giải quyết những câu hỏi cơ bản này bằng cách sử dụng hai chủng vi khuẩn Escherichia coli, chủng A và chủng B, mỗi chủng có nhu cầu dinh dưỡng khác nhau.

Tế bào loại A và B không thể phát triển trong môi trường tối thiểu, vì cả hai đều có đột biến ngăn chúng đồng hóa các chất dinh dưỡng từ môi trường nói trên.

Tuy nhiên, khi A và B được trộn trong vài giờ và sau đó được gieo vào đĩa môi trường tối thiểu, một vài khuẩn lạc xuất hiện trên đĩa môi trường tối thiểu, tức là chúng đã phát triển.

Các khuẩn lạc này có nguồn gốc từ các tế bào riêng lẻ đã trao đổi vật chất di truyền và sau khi trao đổi, có thể biểu hiện thông tin di truyền trong kiểu hình và do đó hấp thụ các chất dinh dưỡng từ môi trường tối thiểu.

Tổ chức thông tin di truyền

Tất cả thông tin di truyền cần thiết cho sự sống của vi khuẩn được tìm thấy trong "nhiễm sắc thể vi khuẩn", một phân tử axit deoxyribonucleic (DNA) sợi kép đơn.

Phân tử DNA này được sắp xếp theo cấu trúc hình tròn, được đóng bởi các liên kết cộng hóa trị, và hình thành, cùng với một số protein, nhiễm sắc thể của vi khuẩn.

Vi khuẩn, ngoài nhiễm sắc thể vi khuẩn, có thể có các đoạn DNA ngoài nhiễm sắc thể với kích thước nhỏ hơn, nhưng cũng có cấu trúc theo kiểu vòng tròn khép kín. Các phân tử DNA này được gọi chung là "plasmid" hoặc "plasmid DNA."

Các phân tử DNA plasmid được vi khuẩn sử dụng để trao đổi thông tin di truyền rất đặc biệt giữa chúng.

Nói chung, khi một trong các tế bào vi khuẩn phát triển khả năng đề kháng với một loại thuốc kháng sinh, nó có thể truyền sự đề kháng đó cho các tế bào vi khuẩn khác thông qua plasmid.

Kích thước của phân tử DNA plasmid ở vi khuẩn có thể thay đổi từ 3 đến 10 kg bazơ và ở nhiều loài vi khuẩn có thể tìm thấy hàng trăm bản sao của một loại plasmid duy nhất.

Thành phần và cấu trúc của DNA của vi khuẩn cũng giống như thành phần và cấu trúc của DNA được tìm thấy trong tất cả các sinh vật sống và trong virus. Cấu trúc của nó bao gồm một khung đường, bazơ nitơ và các nhóm photphat.

Bản đồ hoàn chỉnh của nhiễm sắc thể vi khuẩn Escherichia coli được thu thập vào năm 1963. Nó trình bày chi tiết vị trí chính xác của khoảng 100 gen, nhưng ngày nay nhiễm sắc thể E. coli được biết là chứa hơn 1000 gen và có kích thước 4,2. triệu cặp cơ sở.

Cơ chế biểu hiện gen

Cơ chế biểu hiện gen ở vi khuẩn về một số mặt tương tự như quá trình biểu hiện gen xảy ra ở các sinh vật khác và cũng phụ thuộc vào quá trình phiên mã và dịch mã.

Thông tin của các gen được phiên mã sang một phân tử ARN và sau đó là trình tự các axit amin cấu thành nên protein. Quá trình này là quá trình thực hiện sự biểu hiện của thông tin có trong kiểu gen và cấu trúc trong kiểu hình.

Phiên mã

Trong phiên mã, enzyme RNA polymerase tạo ra một sản phẩm bổ sung cho một đoạn DNA mà nó sử dụng làm khuôn mẫu, nhưng sản phẩm này là axit ribonucleic (RNA).

Phân tử này mang thông tin cho quá trình tổng hợp protein được mã hóa bởi đoạn DNA, nó là một dải đơn và được gọi là RNA thông tin. RNA polymerase của vi khuẩn khác nhau ở vi khuẩn và ở sinh vật nhân thực.

RNA polymerase xác định một vị trí cụ thể trên DNA (promoter) nơi nó liên kết để bắt đầu phiên mã. Một phân tử RNA thông tin đơn lẻ có thể chứa thông tin của nhiều hơn một gen.

Không giống như sinh vật nhân thực, gen của vi khuẩn không có "intron" trong trình tự của chúng, vì vi khuẩn không có nhân phân tách nhiễm sắc thể với các yếu tố khác của tế bào chất.

Dịch

Vì tất cả các yếu tố đều "lỏng lẻo" trong tế bào chất của tế bào vi khuẩn, các phân tử RNA thông tin mới được tổng hợp có thể tiếp xúc với ribosome và bắt đầu tổng hợp protein ngay lập tức.

Điều này cho phép vi khuẩn có lợi thế hơn trong việc phản ứng và thích nghi với những thay đổi khắc nghiệt của môi trường.

RNA ribosome, RNA vận chuyển và các protein khác nhau của ribosome tham gia vào quá trình dịch mã. Ribôxôm của tế bào nhân sơ khác nhau về cấu trúc và thành phần so với ribosom của tế bào nhân thực.

Các yếu tố này "đọc" dưới dạng bộ ba nucleotide (codon) các hướng dẫn có trong mã di truyền của các phân tử RNA thông tin và đồng thời, chúng đang lắp ráp từng axit amin để tạo thành polypeptide.

Tính "phổ quát" của mã di truyền cho phép các nhà khoa học sử dụng quá trình dịch mã của vi khuẩn như một công cụ quan trọng để tổng hợp peptit và protein với lợi ích công nghệ.

Điều hòa biểu hiện gen

Cơ chế kiểm soát sự biểu hiện gen ở vi khuẩn là cực kỳ chính xác; nó cho phép họ điều chỉnh chính xác số lượng và thời gian tổng hợp sản phẩm gen, để chúng chỉ xảy ra khi cần thiết.

Một vùng của bộ gen vi khuẩn tập hợp nhiều gen với nhau được gọi là "operon". Vùng này kích hoạt hoặc hủy kích hoạt quá trình phiên mã của nó tùy thuộc vào điều kiện của vi khuẩn.

Tất cả các gen là một phần của cùng một operon được phiên mã một cách phối hợp thành một ARN thông tin chứa nhiều gen (được gọi là ARN "polycistronic"). Các RNA này được dịch mã tuần tự trên ribosome, cái này đến cái khác.

Các toán tử có thể được điều hòa tích cực hoặc tiêu cực. Các gen chỉ ngừng biểu hiện khi các protein ức chế được gọi là chất kìm hãm liên kết với một trình tự cụ thể trong cấu trúc của chúng.

Trình tự cụ thể của gen được gọi là "promoter", khi protein repressor liên kết với promoter, RNA polymerase không thể bắt đầu phiên mã của trình tự di truyền được đề cập.

Mặt khác, khi các operon được điều chỉnh, quá trình phiên mã của vùng di truyền đó sẽ không bắt đầu cho đến khi có mặt protein hoạt hóa liên kết với trình tự DNA cụ thể.

Các nhà khoa học sử dụng khả năng cảm ứng của operon để tăng hoặc giảm biểu hiện gen của một số vùng quan tâm ở vi khuẩn. Bằng cách đưa vào một số chất nền, sự biểu hiện của các enzym cần thiết cho quá trình trao đổi chất có thể được tăng lên.

Chuyển gen

Vi khuẩn, không giống như tế bào nhân thực, không chuyển gen của chúng qua sinh sản hữu tính, thay vào đó, chúng có thể thực hiện điều này bằng ba quá trình khác nhau: biến nạp, tải nạp và tiếp hợp.

Chuyển gen theo chiều ngang ở vi khuẩn (Nguồn: 2013MMG320B qua Wikimedia Commons)

Chuyển đổi

Trong quá trình biến nạp , một số tế bào vi khuẩn trong quần thể trở nên "có thẩm quyền". Một khi đã "có thẩm quyền", chúng có thể nhận DNA ngoại sinh từ các vi khuẩn khác có trong môi trường ngoại bào.

Khi DNA đã được kết hợp vào bên trong tế bào, vi khuẩn sẽ thực hiện quá trình kết hợp các gen có trong nhiễm sắc thể của chúng với DNA ngoại lai vừa được kết hợp trong nó. Quá trình này được gọi là tái tổ hợp di truyền.

Truyền tải

Trong quá trình tải nạp, vi khuẩn kết hợp DNA từ vi khuẩn khác vào phân tử DNA của chúng thông qua vi rút lây nhiễm vi khuẩn (thực khuẩn). Điều này có thể được đưa ra một cách chuyên biệt hoặc tổng quát.

Trong quá trình tải nạp chuyên biệt, nó xảy ra khi một phage trước đó đã nhiễm vi khuẩn khác có được gen của nó trong chu kỳ lây nhiễm.

Sau đó, bằng cách lây nhiễm vi khuẩn mới và kết hợp các gen của nó vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn mới bị nhiễm, nó cũng kết hợp các gen từ vi khuẩn mà nó đã nhiễm trước đó.

Trong quá trình tải nạp tổng quát, các hạt phage khiếm khuyết có nắp trống của chúng kết hợp một phần nhiễm sắc thể vi khuẩn trong quá trình sao chép của virut, sau đó, một khi chúng lây nhiễm vi khuẩn khác, chúng có thể đưa vào các gen lấy từ vi khuẩn trước đó.

Sự kết hợp

Trong tiếp hợp, vi khuẩn trao đổi vật chất di truyền theo một cách đơn hướng, thông qua tiếp xúc vật lý. Một trong hai vi khuẩn đóng vai trò là người cho và vi khuẩn kia đóng vai trò là người nhận. Trong quá trình này, vi khuẩn cho thường cung cấp một phân tử DNA plasmid cho vi khuẩn nhận.

Sự tiếp hợp ở vi khuẩn không phải là điển hình của tất cả các loài; khả năng tiếp hợp được cấp thông qua các gen được truyền qua một phân tử DNA plasmid.

Người giới thiệu

1. Braun, W. (năm 1953). Di truyền vi khuẩn. Di truyền vi khuẩn.
2. Brock, TD (1990). Sự xuất hiện của di truyền vi khuẩn (số 579: 575 BRO). Cold Spring Harbour, NY: Nhà xuất bản Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Sự di truyền của vi khuẩn trong môi trường tự nhiên (tr. 55-80). London: Chapman và Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Giới thiệu về phân tích di truyền. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Những tiến bộ gần đây trong di truyền vi khuẩn. Đánh giá vi khuẩn học, 11 (1), 1.