Tài liệu Sự trao đổi di truyền ở vi khuẩn

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): 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 105 – 107 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 – 32oC. - 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. 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.