Cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật

Chia sẻ: Thanh Thảo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

Thêm vào BST

Báo xấu

289
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phương pháp quan sát tế bào Nhờ kính hiển vi quang học (kính hiển vi thường) với độ phóng đại 1500 - 2000 lần, đặc biệt nhờ kính hiển vi điện tử thường (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) mà khoa học có thể thấy được tế bào, cấu trúc siêu hiển vi của vi khuẩn với đường kính khoảng 1μm

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật

20 Chương 2 Cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật I. Sinh vật nhân sơ 1. Các phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu 1.1. Phương pháp quan sát tế bào Nhờ kính hiển vi quang học (kính hiển vi thường) với độ phóng đại 1500 - 2000 lần, đặc biệt nhờ kính hiển vi điện tử thường (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) mà khoa học có thể thấy được tế bào, cấu trúc siêu hiển vi của vi khuẩn với đường kính khoảng 1μm. - Quan sát vi sinh vật trên tiêu bản sống: vi sinh vật ở giữa lam và lamella, nhuộm mực nho để thấy rõ màng nhầy (capsule), đây là phương pháp hay dùng cho những vi sinh vật nuôi cấy trên môi trường lỏng với kính hiển vi thường, quan sát được khả năng vận động của chúng. Bảng 2.1: Một số phương pháp nhuộm màu và nguyên tắc sử dụng Phươg pháp nhuộm màu Nguyên tắc sử dụng +Nhuộm đơn (xanh Dung dịch rượu hoặc nước của các kiềm, dùng để methylene, carbolfuchsin, quan sát hình dạng vi sinh vật, cách sắp xếp tế bào tinh thể tím, safranin…) +Nhuộm phân ly Với các phản ứng khác nhau với thuộc nhuộm có thể phân biệt được chúng - Gram Chia các vi khuẩn thành 2 nhóm lớn: Gram dương giữ màu tinh thể tím, Gram âm mất màu khi tẩy do đó sẽ nhuộm màu phụ hồng safranin - Ziehl - Nielsen Dùng để phân biệt các loài Mycobacterium và một số loài Nocardia. Vi khuẩn acid nhuộm với carbolfuchsin và xử lý với dung dịch rượu acid, vẫn giữ màu đỏ. Vi khuẩn không acid sẽ mất màu do đó sẽ nhuộm màu phụ là xanh methylene. +Nhuộm đặc biệt Dùng để phát hiện sự có mặt của màng nhày, bởi vì polysaccharide màng nhầy không bắt màu thuốc nhuộm - Nhuộm âm (negative) bao quanh tế bào vi khuẩn nhuộm màu Sử dụng để phát hiện bào tử vi khuẩn. khi dùng thuốc -Nhuộm nội bào tử nhuộm lục malachite với tiêu bản có đun nóng, thuốc (endospore) nhuộm sẽ thâm nhập vào nội bào tử và làm chúng nhuộm màu lục, khi bổ sung bằng đỏ safranin sẽ làm phần bao quang bào tử nhuộm màu đỏ hồng. -Nhuộm tiên mao (flagella) Dùng để phát hiện tiên mao ở vi khuẩn, sử dụng thuốc làm phồng tiên mao rồi sau đó nhuộm bằng carbolfuchsin
21 - Quan sát vi sinh vật trên tiêu bản cố định và nhuộm màu: Phương pháp nhuộm Gram và Ziehl - Nielsen cho phép nhận biết 2 nhóm vi khuẩn Gram dương va Gram âm, hình dạng của bào tử, các vật thể ẩn nhập như hạt dự trữ polyphosphate (hạt dị nhiễm sắc, hạt volutin), các giọt mỡ, glycogen… Những tiêu bản cố định này được quan sát ở bội giác lớn X 90 hoặc X 100 (bội giác dùng dầu, vật kính có vòng đen). Tham gia vào cơ chế nhuộm màu có cấu trúc của thành tế bào và bản chất các hợp chất của sinh chất khác nhau ở hai loại vi khuẩn. Để quan sát những cấu trúc siêu hiển vi người ta dùng kính hiển vi điện tử TEM và SEM, có thể thấy được những cấu tạo rất nhỏ với độ lớn vài nanometre. Những vi khuẩn Gram+ có mối liên hệ chủng loại phát sinh gần gũi nhau, ở đây người ta chia thành hai nhóm phụ: nhóm có hàm lượng (G + X)% cao hơn 50% như các Actinomycetales, Corynebacterium, Cellulomonas… và nhóm có (G + X)% thấp hơn 50% như Clostridium, Bacillus, Staphylococcus,… Những vi khuẩn Gram- có mối quan hệ chủng loại phát sinh cách xa nhau và ở đây người ta phân ra rất nhiều nhóm phụ. Bảng 2.2: Một số tính chất khác biệt giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm Tính chất Gram dương Gram âm Phản ứng với hóa chất giữ màu tinh thể tím, mất màu tím khi tẩy nhuộm Gram do đó tế bào có màu rửa, nhuộm màu phụ tím hoặc tía đỏ safranin hay Fuchsin Lớp peptidoglucan dày, nhiều lớp mỏng, chỉ có một lớp có không có Acid techoic Lớp phía ngoài thành không có có Lớp lipopolysaccharide rất ít hoặc không có nhiều, hàm lượng cao Hàm lượng lipid và thấp (vi khuẩn acid có cao (tạo thành lớp lớp lipid mỏng liên kết ngoài thành) lipoprotein với peptidoglucan) Cấu trúc gốc tiên mao hai vòng ổ đĩa gốc bốn vòng ổ đĩa gốc Tạo độc tố chủ yếu là ngoại độc chủ yếu là nội độc tố tố (exotoxins) (endotoxins) Chống chịu với tác nhân khả năng chống chịu khả năng chống chịu vật lý cao thấp Mẫn cảm với lysozyme rất mẫn cảm, dễ bị tan ít mẫn cảm (cần phải với enzyme này xử lý để phá lớp màng ngoài của peptidoglucan) Mẫn cảm với Penicillin và cao thấp sulfonamide
22 Mẫn cảm vớ i thấp cao Streptomycine, Chloramphenicol, Tetracycline Kết hợp với thuốc nhuộm cao, chặt chẽ thấp, lỏng lẻo kiềm Mẫn cảm với các chất tẩy cao thấp anionic Chống chịu với muối Natri cao thấp Chống chịu với khô hạn cao thấp 1.2. Phương pháp tách ly các thành phần của tế bào Khi cần nghiên cứu các thành phần riêng biệt của tế bào, người ta phải tách ly các thành phần này nhờ siêu âm, enzyme làm tan thành, các kháng sinh tác động vào thành, dùng áp suất thẩm thấu gây co nguyên sinh, dùng sức ép cơ học, dùng siêu li tâm hoặc li tâm trong đường gradient… Nhờ các máy đo quang phổ (Spectrophotometer) chúng ta biết rõ ràng và nhanh chóng số lượng tế bào trong dịch huyền phù. Nhờ phương pháp sắc ký giấy hoặc sắc ký cột chúng ta có thể thu được các hợp chất riêng biệt. 2. Hình dạng vi khuẩn và vi khuẩn cổ Hình dạng vi khuẩn khác nhau giữa loài này và loài khác, đối với những vi khuẩn đa hình (polymorphysme) thì hình dạng có thể khác nhau trong các giai đoạn sống khác nhau của chu kỳ sinh trưởng. Những hình dạng chính của vi khuẩn: - Cầu khuẩn (Coccus): Khi phân chia theo một phương và dính nhau ta có song cầu khuẩn (Diplococcus), hoặc liên cầu khuẩn (Streptococcus), phân chia hai phương và dính với nhau ta có tứ cầu khuẩn (Tetracoccus), phân chia 3 phương và dính nhau ta có bát cầu khuẩn (Sarcina) hoặc phân chia theo nhiều phương ta có tụ cầu khuẩn (Staphylococcus). - Trực khuẩn: bao gồm trực khuẩn không sinh bào tử (như E.coli…) và trực khuẩn sinh bào tử như Bacillus, Clostridium với kích thước khoảng 2-3 x 1μm. - Xoắn khuẩn: Spirillum, Campylobacter, xoắn thể với các vòng khác nhau: Spirochaeta, Leptospira với kích thước 1 x 5-500μm. - Xạ khuẩn: gồm những vi khuẩn thuộc bộ Actinomycetales trong đó có các giống quan trọng như Streptomyces, Micromonospora…, có kích thước 1-2 x 100-500μm.
23 Hình 2.1: Các nhóm hình thái chính của vi khuẩn - Vi sinh vật hình sao như giống Stella và vi sinh vật hình vuông như giống Haloarcula, một loại "vi khuẩn" ưa mặn thuộc vi sinh vật cổ.
24 3. Sơ đồ cấu tạo tế bào vi khuẩn Nhờ kính hiển vi điện tử khoa học đã biết rất rõ các tổ chức dưới mức tế bào của vi khuẩn như lớp màng nhầy, thành tế bào, màng sinh chất, chất nguyên sinh và các thành phần quan trọng khác. Hình 2.2: Mô hình và sơ đồ cấu trúc tế bào vi khuẩn 1. Thành tế bào, 2. Màng sinh chất, 3. Thể nhân, 4. Mexosome, 5. Chất dự trữ, 6. Sinh chất, 7. Bào tử, 8. Tiên mao, 9. Khuẩn mao, 10. Khuẩn mao giới tính, 11. Bao nhầy, 12. Tầng dịch nhầy, 13. Ribosome, 14. Thể ẩn nhập, 15. Plasmid. 3.1. Màng nhầy (capsule) Nhiều vi khuẩn được bao bọc bên ngoài bàng một lớp màng nhầy có bản chất hóa học là polysaccharide của một loại gốc đường (homopolysaccharide) hoặc của nhiều gốc đường khác nhau (heteropolysaccharide), ở một số vi khuẩn trong vỏ này còn chứa một ít lipoprotein. Khi làm khô, người ta xác định được 90 - 98% trọng lượng của màng nhầy là nước. Màng nhầy có tác dụng hạn chế khả năng thực bào, do đó tăng cường độc lực đối với vi khuẩn gây bệnh, do cấu trúc hóa học của màng nhầy là polysaccharide và ít lipoprotein nên có liên quan đến tính kháng nguyên của vi khuẩn gây bệnh. Mặt khác, khi môi trường nghèo chất dinh dưỡng màng nhầy có thể cung cấp một phần các chất sống cho tế bào, trong trường hợp đó màng nhầy teo đi. Một khuẩn lạc gồm các vi khuẩn có màng nhầy nhìn thấy dạng nhẵn bóng - dạng S (smooth), còn khuẩn lạc gồm các vi khuẩn ít hay không hình thành màng nhầy sẽ có dạng nhăn
25 nheo - dạng R (rough), đối với những vi khuẩn trong điều kiện môi trường quá dư thừa carbon, như ở rảnh các nhà máy đường…, thì màng nhầy rất dầy và tạo ra khuẩn lạc nhầy nhớt - dạng M (mucoid). Ví dụ ở nhà máy đường thường gặp Leuconostoc mesenteroides có nhiều màng nhầy dày gấp 20 lần chiều ngang của tế bào vi khuẩn. Những màng nhầy như vậy được gọi là những màng nhầy lớn (macrocapsule) còn những màng nhầy nhỏ hơn 0,2μm (nghĩa là không nhìn thấy trên kính hiển vi thường, mà chỉ nhìn thấy trên TEM hay SEM) được gọi là màng nhầy nhỏ (microcapsule). Có những vi khuẩn chỉ hình thành màng nhầy trong các điều kiện nhất định, ví dụ Bac. anthracis (vi khuẩn gây bệnh nhiệt than) chỉ hình thành màng nhầy trong môi trường có protein động vật, Diplococcus pneumoniae (gây bệnh viêm màng phổi) chỉ hình thành màng nhầy khi xâm nhập vào cơ thể người và động vật. Muốn quan sát màng nhầy người ta làm tiêu bản âm với mực nho hoặc nhuộm đơn bằng thuốc nhuộm kiềm. 3.2. Thành tế bào Ngày nay khoa học đã biết khá rõ về thành tế bào các cơ thể nhân sơ. Dựa vào sự nghiên cứu cấu trúc phân tử của thành tế bào, kiểu trao đổi chất… mà ta có thể xếp chúng vào hai giới: vi sinh vật cổ với loại thành tế bào đặc biệt và kiểu trao đổi chất khác thường và vi khuẩn với ba nhánh tiến hóa: nhánh có thành tế bào dày là các vi khuẩn Gram dương, nhánh có thành tế bào mỏng là các vi khuẩn Gram âm và nhóm tiêu giảm, không có hay thành tế bào rất mỏng. Nhờ các phương pháp tách ly tế bào như lắc dịch huyền phù vi khuẩn với các hạt thủy tinh có đường kính 0,1 mm hoắc ép dịch huyền phù qua màng có lỗ nhỏ hơn đường kính tế bào, hoặc đưa tế bào vào môi trường ưu trương để gây co nguyên sinh… rồi sau đó qua siêu ly tâm, người ta có thể thu được lớp thành tế bào khá tinh khiết. Thành tế bào của các vi sinh vật cổ rất khác biệt với thành tế bào của vi khuẩn và hoàn toàn khác với cơ thể nhân chuẩn. Đối với vi khuẩn, thành tế bào chiếm khoảng 20 - 30% trọng lượng khô của tế bào, đặc biệt ở Corynebacterium diphteria thành tế bào chiếm tới 76 - 78% trọng lượng khô của tế bào. Thành tế bào vi khuẩn Gram dương dày 150 - 800A0 Còn ở vi khuẩn Gram âm lớp thành murein mỏng hơn: từ 50 - 180A0. Hợp chất cơ bản của thành tế bào vi khuẩn là hai chất dị cao phân tử (heteropolyme): glucopeptid và acid teichoid. Glucopeptid (hay còn gọi là peptidoglucan, mucopeptid, murein) là khung rắn chắc giữ vững hình dạng vi khuẩn, khi thủy phân glucopeptid ta sẽ đựoc 2 hợp chất với số phân tử
26 Gram như nhau là: N-acetyl glucosamin và acid N- acetyl muramic, chúng liên kết với nhau qua liên kết 1,4 ß glucozid. Enzyme lysozim cắt liên kết glucozid giữa C1 còn lại của acid N- acetyl muramic và C4 còn lại của N-acetyl glucosamin (liên kết ß – 1,4). Các gốc N- acetyl muramic liên kết với nhau qua dây nối peptid, tạo ra mạng lưới chằng chịt như tổ ong, trong thành phần của N- acetyl muramic có mặt của các acid amin với trọng lượng phân tử Gram: 2 D.L.alanin, 1 D. glutamic và 1 acid diamin. Acid diamin này ở Sta. aureus là lizin, ở E.coli là acid L – diaminpimelic (ADP), các acid diamin này có thể kết hợp với mạch peptid của chuỗi bên, do đó mà hình thành một mạng lưới murein chắc chắn. Đối với nhóm vi khuẩn tiêu giảm thành tế bào (Mycoplasmatales, Mollicustes, Tenericutes) người ta không tìm thấy hợp chất murein, những vi khuẩn này không có thành rắn chắc cho nên chúng có thể thay đổi hình dạng, phần lớn chúng là những cơ thể đa hình như các dạng PPLO, Mycoplasma (vi khuẩn nhỏ nhất có thể nuôi cấy trên môi trường). Trong thành tế bào vi khuẩn còn có một loại hợp chất đặc biệt đó là acid teichoic, hợp chất thấy nhiều ở vi khuẩn Gram dương (có thể chiểm tới 50% trọng lượng khô của thành), ở vi khuẩn Gram âm hiện chưa tìm thấy hợp chất này. Acid teichoic liên kết với acid muramic qua mạch phosphodieste. Acid teichoic có hai loại ribiteichoic và glycerin teichoic. Thành tế bào vi khuẩn có chức năng quan trọng là giữ hình dạng ổn định của tế bào , tham gia vào việc duy trì áp suất thẩm thấu, sư phân bào, tham gia vào quá trình nhuộm Gram... Vi khuẩn Gr+ Vi khuẩn Gr- Hình 2.3: Mô hình cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram(+) và Gram(-)
27 3.3. Màng sinh chất Màng sinh chất của vi khuẩn và các vi sinh vật cổ có thể thấy được nhờ co nguyên sinh, lớp màng này dưới kính hiển vi đối pha là lớp có độ dày khoảng 7,5nm, nằm ngay dưới lớp thành hoặc các lớp màng ngoài, nó bao bọc toàn bộ khối chất nguyên sinh. Khoa học gọi nó là màng cơ sở vì có cấu tạo giống hầu hết các màng trong tế bào như màng nhân, màng ty thể, lục lạp, màng lưới nội chất, màng bào tương… Phân tích hóa sinh cho thấy màng sinh chất gồm 3 loại phân tử: lipid (chủ yếu ở dạng phospholipid - chiếm khoảng 30 - 40%), protein (gồm rất nhiều hệ enzyme, trong đó có các hệ permease, thành phần protein này có thể chiếm tới 60 - 70%) và một ít hợp chất glucid.Các phospholipid có thể là phosphatidiglycerol và/hoặc là phosphatidylethanolamin. Các phospholipid dưới kính hiển vi điện tử gồm 2 lớp nằm ở giữa, trong suốt trong khi các lớp protein bên ngoài có màu đậm tối. Các phân tử phospholipid có đầu ưa nước (hydrophyle) gồm có choline - phosphate và glycerol còn đuôi kỵ nước (hydrophone) là các phân tử acid béo. Do cấu trúc các phân tử phospholipid như trên nên chúng phải sắp xếp các đuôi kỵ nước với nhau và đầu ưa nước quay ra phía ngoài và phía trong sinh chất, chính cách sắp xếp này có lợi nhất cho chức năng vận chuyển các chất (đưa các dòng proton nhờ các enzyme), chức năng hô hấp… Chức năng chủ yếu của màng sinh chất là tấm bình phong ngăn trở dòng các chất ra cũng như cho đi qua các hợp chất từ phía ngoài vào. Nó đảm bảo tế bào hấp thụ được các chất dinh dưỡng, các nguyên tố có lợi cho quá trình trao đổi chất. Nó lựa chọn cho đi qua cả các phân tử chất hữu cơ loại nhỏ đồng thời ngăn cản các hợp chất phân tử lớn. Đối với các phân tử bé kị nước như O2, N2, CH4, N2O, H2 hoặc các phân tử có cực nhưng không tích điện như H2O, urea, CO2,…màng sinh chất thể hiện như một màng vật lý cho đi qua theo quy luật vật lý học. Đối với các phân tử có kích thước lớn quan trọng đối với tế bào và ưa nước thì màng cho đi qua theo cơ chế khuếch tán theo nồng độ chất hòa tan, có thể là khuếch tán thụ động từ nồng độ cao đến nồng độ thấp hoặc khuếch tán tích cực chủ động nhờ các enzyme vận chuyển permease, nhờ đó mà cơ thể tập trung vào trong các hợp chất cần thiết cho tế bào.
28 Có một cách vận chuyển khác là do sự thay đổi vị trí các nhóm chức năng, ví dụ khi phân tử glucose đi vào đã được phosphoryl hóa và giải phóng vào bên trong màng tế bào là hợp chất glucoso - phosphate. Màng sinh chất chứa các enzyme sinh tổng hợp kiểm soát các khâu kết thúc tổng hợp lipid của màng và các hợp chất kiến tạo thành tế bào. Cuối cùng, màng sinh chất là nơi định vị của nhiều enzyme tham gia tổng hợp ATP. Ở các cơ thể nhân chuẩn, các enzyme này có mặt trong ty thể. Các chuỗi hô hấp của màng sinh chất của vi khuẩn và vi sinh vật cổ làm chức năng tương tự như màng trong của ty thể. 3.4. Sinh chất và Ribosome Sinh chất của cơ thể nhân sơ gồm có 80 - 90% là nước, nước có thể ở trạng thái tự do (chiếm phần lớn) làm nhiệm vụ hòa tan các chất và tạo nên dung dịch keo với các chất cao phân tử. Nước ở trạng thái kết hợp (chiếm phần nhỏ) thường liên kết trong các vi cấu trúc như protein, lipid và hydratcarbon. Phần còn lại của sinh chất là lipoproteid (chiếm 10 - 20%). Hệ keo của sinh chất bao gồm 2 pha: pha thứ nhất là dung dịch muối khoáng và các hợp chất hòa tan có bản chất là lipoproteid, pha thứ 2 là pha huyền phù gồm các hạt nucleoprotein, lipid và nhiều loại hạt có kích thước rất khác nhau. Khi còn non, đang sinh trưởng, chất nguyên sinh có cấu tạo đồng nhất và bắt màu giống nhau. Khi trưởng thành, trong chất nguyên sinh xuất hiện các vật thể ẩn nhập, không bào khí làm cho sinh chất có dạng huyền phù lổn nhổn, bắt màu không đồng đều và có tính chiết quang khác nhau. Sinh chất của vi khuẩn có pH bình thường là 7 - 7,2. Để nghiên cứu sinh chất, người ta dùng siêu li tâm cao tốc để tách chất nguyên sinh và các cấu trúc siêu hiển vi riêng ra. * RNA và Ribosome Một tế bào vi khuẩn chứa trung bình khoảng 18.000 ribosome, hạt 70S (S là chữ đầu của Sverberg - 10-3 cm/giây trong siêu li tâm) với đương kính từ 10 - 30nm, trọng lượng phân tử 3.106 daltons. Mỗi ribosome, khi giảm nồng độ Mg2+ của dung dịch sẽ tách ra thành 2 tiểu phần trong siêu li tâm: tiểu phần lớn (50S) và tiểu phần be (30S). tiểu phần lớn liên kết với tiểu phần bé bàng mối liên kết trung gian RNA - protein và protein - protein. Các ribosome chứa phần chủ yếu là RNA (63%) và phần kia là protein (37%). Ngoài RNA và protein, ribosome có thể còn chứa một lượng nhỏ lipid và enzyme ribonuclease, lepxinaminopeptidase, galactosidase và một ít chất khoáng giàu Mg và nghèo Ca.
29 Sự tổ hợp của tiểu phần lớn vào tiểu phần nhỏ bởi liên kết bên trong ribosome, liên kết RNA - protein, ở đây có 2 site (chốt) đặc biệt có vai trò quan trọng trong quá trình dịch mã (translation) từ chuỗi RNA sang protein. Các site này gọi là site "P" (như peptidyl) và "A" (như aminoacyl). Ribosome là cơ quan tổng hợp protein của tế bào, nhưng chỉ có một số nhỏ ribosome (khoảng 5 - 10% tổng số ribosome) ở dạng liên kết với RNAm đòi hỏi phải có sự tham gia của nhiều yếu tố làm dài chuỗi polypeptide. Một trong các yếu tố đó là EF-2 thường thấy ở các vi sinh vật cổ và cơ thể nhân chuẩn, nhưng không thấy ở vi khuẩn, các yếu tố này thay đổi vị trí phiên âm của histidine (cho diphtamide) làm mẫn cảm với độc tố diphteria, đây là một sự khác biệt nữa giữa các vi sinh vật cổ và vi khuẩn. 3.5. Các hạt dự trữ ở vi khuẩn Ở cuối pha trưởng thành, trong tế bào vi khuẩn xuất hiện những hạt có độ lớn và thành phần hóa học khác nhau. Kích thước và số lượng các hạt này tùy thuộc vào loài vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy chúng. Trong khi sinh trưởng, vi khuẩn tích lũy dần các chất dự trữ hữu cơ và vô cơ, các chất dự trữ này đạt đến kích thước nhất định thì hình thành nên hạt dự trữ (vật thể ẩn nhập) có thể thấy dưới kính hiển vi. Các chất dự trữ carbon o vi khuẩn thường thấy là glycogen, tinh bột, poly-β- hydroxy butyrate… Các hạt dự trữ carbon dễ dàng nhìn thấy khi nhuộm bằng dung dịch có iod, hợp chất này nhuộm các chất đang trung hợp (polymer) không phân nhánh của glucose (tinh bột) thành màu xanh thẩm và các hydratcarbon phân nhánh (glucogen) thành đỏ nâu. Các hợp chất poly-β- hydroxy butyrate được nhuộm màu bởi Soudan đen như màu các giọt mỡ. - Các hạt dị nhiễm sắc (metachomatic granulation) hay hạt volutin được tìm thấy lần đầu ở xoắn khuẩn Spirillum volutans. Chúng bắt màu với thuốc nhuộm kiềm như xanh methylene, xanh toluidine thành màu đỏ tía trong khi sinh chất của vi khuẩn lại có màu xanh. Các hạt volutin có dạng hình tròn, đường kính có thể đạt tới 0,3μm, có thể tan trong nước nóng 800C, trong dung dịch kiềm hoặc dung dịch NaCl 5%, trong dung dịch HCl 1N…không tan trong rượu, ester, chlorofor. Hạt volutin là những hạt dự trữ polyphosphate vô cơ. - Các vi khuẩn Chromatium, Beggiatoa có thể tích lũy lưu huỳnh bên trong tế bào do oxy hóa H2S giải phóng ra S. Các vi khuẩn oxy hóa sắt có thể tích lũy sắt trong sinh chất dưới dạng Fe3O4.
30 - Các hạt carboxysome thường thấy ở Cyanobacteria, ở một số vi khuẩn màu tía, vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳng như Thiobacillus, đó là những hạt ribulose diphosphat carboxylase (hay carboxydis mutase) được bao bọc bởi sự gấp nếp của màng sinh chất, có đường kính khoảng 50 - 100nm. - Tinh thể diệt côn trùng thường thấy ở một số loài vi khuẩn sinh bào tử như Bacillus thuringiensis, Bacillus dechrolimus, tinh thể này xuất hiện khi hình thành bào tử, chúng có bản chất là protein và ngày nay được dùng để diệt sâu hại. 3.6. Các thể mang màu và sắc tố Ở vi khuẩn quang hợp cơ quan thực hiện quá trình quang hợp là các thể mang màu (chromatophores) (ở tảo và thực vật là lục lạp - chlorophaste) vì cấu trúc siêu hiển vi của các thể mang màu khác với lục lạp. Mặt khác bản chất của các sắc tố quang hợp cũng khác biệt, ở tảo và thực vật là diệp lục tố (chlorophyll) trong khi ở vi khuẩn quang hợp là các sắc tố gần với chlorophyll mà người ta gọi là khuẩn diệp lục tố (bacteriochlorophyll). Halobacterium halobium (cơ thể sống trong môi trường mặn) có chứa bacteriorhodopsine ở màng sinh chất, sắc tố gần giống với sắc tố võng mạc mắt. Ngoài ra, chúng ta có thể gặp các sắc tố sau: - Vitamine K2 (hợp chất quinon) ở Bacillus subtilis và Bacillus cereus. - Sắc tố carotenoid chống tia tử ngoại ở Corynebacterium. - Pyocyanine, violaceine ở Chromobacterium violaceum, sắc tố có hoạt tính kháng sinh. - Một số sắc tố tạo thành màu đặc trưng của khuẩn lạc như zeaxanthine (carotenoid), sắc tố vàng ở Staphylococcus aureus; xanthophyll và sarcinaxanthine (carotenoid) là loại sắc tố đỏ ở Sarcina. - Sắc tố pyocyanine xanh pyoverdine xanh lục huỳng quang ở P. aeruginosa. - Dẫn xuất sắc tố pyrolic đỏ ở Serratia marcescens. 3.7. Không bào khí Đây là một loại túi chứa đầy khí thường gặp ở nhiều loài thuộc 3 nhóm vi khuẩn quang hợp: vi khuẩn lam (Cyanobacteria), vi khuẩn tía và vi khuẩn lục. Không bào khí giúp vi khuẩn quang hợp trôi lơ lửng trong nước và nổi lên mặt nước.
31 3.8. Chất nhân của vi khuẩn DNA của tế bào vi khuẩn chiếm khoảng 1 - 2% trọng lượng khô của chúng, đó là hợp chất chứa thông tin di truyền chủ yếu của tế bào. Chất nhân của vi khuẩn không có màng bọc, hình dạng rất khác nhau và chỉ có 1 sợi gồm 2 mạch DNA. Chiều dài của nó trong tế bào E.coli đo được là 1mm, tức là gấp 500 - 1000 lần chiều dài của vi khuẩn. Vòng thể nhiễm sắc được định vị tại một điểm trên màng sinh chất lúc sắp phân chia. Độ lớn DNA vào khoảng 5.106 pb (cặp base nitơ) với trọng lượng phân tử vào khoảng 3.109 dalton (4,5.108 đối với Mycoplasma, 1.109 đối với Acholeplasma). Khong thấy protein histone kiểu tế bào nhân chuẩn mà chỉ có các polyamine như specmidin và specmine làm chức năng củng cố ổn định DNA. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy ở Thermoplasma (một loại vi sinh vật cổ - Archaea) đã tìm thấy histone. Vòng DNA xoắn kép của vi khuẩn thường được gọi là thể nhiễm sắc vi khuẩn hay genophore. Những nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử cho thấy genophore của vi khuẩn có nhiều vòng, mỗi vòng nhỏ có khoảng 400 cặp base nitơ, nhiều vòng tạo thành búi xoắn. Ở E.coli có 50 búi xoắn và có gần 500 vòng trong một búi, điều đó giải thích tại sao chuỗi DNA của vi khuẩn dài tới 1mm và gồm khoảng 5.106 pb. - Ở E. coli đã tìm thấy ít nhất là 4 loại protein liên kết với DNA, đó là những protein kiềm, bền nhiệt nên rất gần gũi với histone của các sinh vật nhân chuẩn: + Hu được hình thành bởi 2 tiểu phần α và β (nhị phân protein ProteinII) nên rất gần với histone H2B. + H gần giống với histone H2A. + H1 và HLP1, những protein liên kết DNA này có chức năng điều hòa không đặc hiệu trong quá trình sao mã. Sự có mặt của các protein trên làm cho cấu trúc thứ cấp DNA của E. coli vững chắc hơn. Mặc dù chỉ có một thể nhiễm sắc đối với một tế bào vi khuẩn, nhưng trong môi trường nuôi cấy liên tục khi có sự sinh sản nhanh, có thể dẫn tới sự có mặt của 2 thậm chí 4 thể nhiễm sắc trong một tế bào vi khuẩn đang phân chia. - Ba loại DNA polymerase đã được chiết từ E. coli: + DNA polymerase I: làm chức năng khôi phục, sửa chữa bổ sung, xúc tác bổ sung desoxyribonucleotide vào đầu của chuỗi DNA. Phản ứng chỉ xảy ra khi DNA đã được đinh vị ở màng sinh chất.
32 + DNA polymerase II có hoạt tính ngoài nhân, nó cần thiết cho hoạt động của RNAm. + DNA polymerase III là loại có hoạt tính nhất trong 3 loại polymerase. - Các DNA-ligase xúc tác hình thành các đầu nối 2 mạch DNA - cầu phosphodiester giữa nhóm hydroxyl 3' ở đầu mạch và nhóm phosphate 5' ở đầu mạch kia. DNA-ligase có thể thực hiện các chức năng sau: + Sửa chữa, cắt bỏ một đoạn của mạch trong DNA xoắn kép. + Đóng và tạo thành vòng các phân tử DNA xoắn kép mạch thẳng. + Hàn các đoạn DNA trong quá trình tái tổ hợp di truyền. + Tham gia vào quá trình nhân DNA cùng với DNA polymerase. Các enzyme tháo mạch của chuỗi xoắn kép làm cho các mạch DNA trong chuỗi xoắn kép được tách ra để nhân lên. từ hai mạch làm khuôn tổng hợp hai mạch mới bổ sung để tạo thành hai chuỗi DNA xoắn kép hoàn toàn giống nhau. Đấy là cơ chế nhân đôi DNA bảo đảm tính di truyền của các thế hệ vi khuẩn. Các thông tin di truyền từ DNA được sao mã (transcription) sang mRNA và sau đó được dịch mã (translation) thành chuỗi polypeptide hay enzyme. Bằng phương pháp phóng xạ tự ghi (autoradiogragh) khoa học cỏ thể chụp được quá trình nhân lên của nhiễm sắc thể ở E.coli và nhiều cơ thể nhân sơ khác. DNA của cơ thể có cấu tạo đặc trưng, số lượng adenine bằng số lượng thymine và số lượng guanine bằng số lượng cytosine. Tỷ lệ (G+X)/(A+T) là một chỉ số sinh hóa quan trọng giúp phân loại đến giống và loài trong phân loại sinh hóa (Chemotaxonomy), ví dụ chỉ số Chargaff của Micrococcus luteus là 4 và của Clostridium perfringens là 0,34. 3.9. Plasmid Ngoài các gen nằm trong genophore ra, tế bào vi khuẩn (và một số loài nấm men) có thể chứa các yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc, chúng có thể tự nhân lên. Vì vậy mà năm 1952, Lederberg đã gọi chúng là plasmid để chỉ tính chất độc lập của chúng với các gen nằm trên thể nhiễm sắc. Khái niệm vật chất di truyền ngoài thể nhiễm sắc bao gồm DNA của các ty thể, lục lạp (nếu có), các plasmid, các yếu tố giới tính, các yếu tố "diệt", một số prophage… Khoa học đã xác định plasmid có ở rất nhiều loài vi khuẩn như E. coli, các trực khuẩn đường ruột và vi khuẩn Gram âm, tụ cầu khuẩn
33 Staphylococcus aureus, xạ khuẩn Streptomyces coelicolor và ở Rhizobium melitoli… Plasmid là phân tử DNA vòng kín 2 mạch, hiếm thấy 2 mạch thẳng, nằm ngoài thể nhiễm sắc, có kích thước nhỏ (bằng khoảng 1/100 thể nhiễm sắc của vi khuẩn, gần giống một prophage), có khả năng tự nhân lên độc lập với tế bào và chúng được phân sang các tế bào con khi nhân lên cùng với sự nhân lên của tế bào. Các plasmid có thể tăng lên hoặc giảm đi khi có yếu tố bất lợi như nhiệt độ, thuốc màu, kháng sinh, các chất dinh dưỡng… Các plasmid có thể ở trạng thái cài vào thể nhiễm sắc, có khả năng tiếp hợp hoặc không tiếp hợp, có thể có một hoặc nhiều bản sao cùng loại ngay trong một tế bào vi khuẩn. Các plasmid không phải là yếu tố nhất thiết phải có đối với sự sống tế bào, nhưng khi có mặt, chúng đem lại cho tế bào nhiều đặc tính chọn lọc quý giá như có thêm khả năng phân giải một số hợp chất, chống chịu với nhiệt độ bất lợi, chống chịu với các kháng sinh… Thường thì các plasmid nhân lên khi tế bào nhân lên hay tế bào tiếp hợp, nhưng không có nghĩa sự nhân lên của plasmid phụ thuộc vào sự nhân lên của tế bào. trong trương hợp cùng nhân lên, chắc phải có cơ chế kiểm soát đảm bảo đồng thời sự nhân lên, số lượng bản sao và sự phân chia đồng đều các bản sao cho hai tế bào con, cho đến nay cơ chế này còn chưa sáng tỏ. Có những plasmid có thể chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận nhờ tiếp hợp (tiếp hợp được), ngược lại có plasmid không tiếp hợp được. Các plasmid qua tụ cầu khuẩn Staphylococcus chỉ có thể chuyển sang tế bào nhận nhờ tải nạp. Một số plasmid (ví dụ yếu tố giới tính F) có thể xâm nhập vào thể nhiễm sắc ở vị trí đặc biệt có trật tự nucleotide bổ trợ với đoạn nucleotide trên plasmid, những site như vậy gọi là những yếu tố gia nhập (IS), những IS này gồm khoảng 1000bp và thấy ở E. coli như IS 1 (768bp) và IS 2 (1327bp). Như vậy, các yếu tố gia nhập (yếu tố điền vào - IS) là đoạn nucleotide nhỏ (700 - 1500bp) thường chỉ mã hóa sự chuyển vị (transposition) (tạo ra các site - tự cắt đứt trước của DNA). Các yếu tố di truyền vận động (Transposon - Tn) là những đoạn nucleotide dài hơn (vài ngàn đến vài vạn bp) mã hóa khả năng thay đổi tính chất (như chống chịu) thường định vị bên cạnh IS. Các gen vận động này có thể di chuyển trong nôi bộ một thể nhiễm sắc hoặc giưa các thể nhiễm sắc. Các yếu tố Tn thấy ở E.coli như Tn5 (5700bp) chống chịu Kanamycine, Tn681 (2100bp) sinh độc tố ruột, Tn2571 (23000bp) chống chịu Chloramphenicol, Tn3 (4597bp) chống chịu Ampicillin. Tần số của sự chuyển vị (Transposition) cũng như tần số của các đột biến tự phát ngẫu nhiên (10-5 - 10-7).
34 3.10. Tiên mao (Flagelles), tiêm mao (Cils) và nhung mao (Pili) Tiên mao thường thấy ở Vibrio, Spirillum và nhiều loài vi khuẩn Gram âm. Số lượng tiên mao có thể từ 1 - 30 sợi tùy thuộc vào loài vi khuẩn. Một tiên mao có chiều dài từ 6 - 30μm và đường kính 10 - 30nm (12nm ở Proteus, 20 - 25nm ở Vibrio và Pseudomonas). Khi tiên mao ngắn thì người ta thường gọi là tiêm mao. Tiên mao có c ấu tạo từ một loại protein gần với Keratin mà người ta gọi là flagelline, protein có trọng lượng phân tử khoảng 40.000 (trong đó có các acid amin chủ yếu là arginine, lysine, acid aspartic, acid glutamic và tyrosine), những protein này có tính kháng nguyên (H, kháng nguyên ứng nhiệt). Tiên mao giúp cho vi khuẩn chuyển động, khi vi khuẩn di động tiên mao xoáy vào nước hoặc môi trường lỏng (có thể tới 100 vòng trong 1 giây), trong khi tiêm mao chuyển động như que gạt. Mặc dù vậy, trong vi sinh học người ta thường dùng tiên mao và tiêm mao với cùng một nghĩa, chúng khác với nhung mao ( pili) là những sợi mảnh và ngắn hơn nhiều, thường có xung quanh tế bào Gram âm và ít thấy ở tế bào vi khuẩn Gram dương. Người ta chia nhung mao (pili hoặc fimbria) làm 2 loại: loại nhung mao phổ thông (Type I) và loại nhung mao giới tính (Type II). Loại nhung mao phổ thông phân bố với số lượng lớn trên bề mặt tế bào vi khuẩn (vài trăm), người ta cho rằng loại nhung mao này có liên quan đến tính chất kết dinh máu của vi khuẩn, loại nhung mao này ngắn hơn nhung mao giới tính (loại II có thể dài tới 10μm), số lượng nhung mao giới tính rất ít, khoảng 1 - 4, ở đầu cùng có chổ phình ra, nhung mao loai II có vai trò quan trọng trong quá trình tiếp hợp (conjugation) giữa 2 tế bào vi khuẩn. Trong số các sợi (tiêm mao và nhung mao) trên bề mặt tế bào vi khuẩn thì tiên mao được nghiên cứu kỹ hơn và người ta chia chúng làm 2 nhóm phân bố: phân bố ở cực (polaire) và phân bố xung quanh (peritriche). Sự chuyển động của tế bào vi khuẩn có thể đạt tới 10μm/s (tức là trong 1 giây vi khuẩn có thể đi được khoảng cách dài gấp 10 lần nó) nên đòi hỏi một năng lượng rất lớn (khoảng 2% năng lượng trao đổi chất của tế bào). Bộ máy xoay tiên mao ở gố c nằm trong màng sinh
35 chất và thành tế bào gồ m 2 vành khuyên, vành trong gồm 16 đơn phần protein có thể dịch chuyển rất nhanh nhờ dòng proton (H+) đi vào. Cách sắp xếp tiên mao là một tiêu chuẩn trong phân loại hình thái (Morphology taxonomy) vi khuẩn: - Đơn mao ở cực (Monotriche polaire hay parapolaire) đặc trưng cho nhiều loài Vibrio hoặc chùm mao ở cực (Lophotriche) đặc trung cho nhiều loài Pseudomonas, Chromatium và Thiospirillum. - Lưỡng cực (Amphitriche hay Cephalotriche) có thể chùm mao ở lưỡng cực như các loài Spirillum. - Chu mao (Peritriche) hay tiên mao sắp xếp xung quanh thân tế bào vi khuẩn đặc trưng cho nhiều loài Prote 3.11. Nội bào tử vi khuẩn (Endospores) Một số vi khuẩn ở cuối giai đoạn sinh trưởng, khi chất dinh dưỡng ở môi trường cạn kiệt và chất qua trao đổi độc hại quá nhiều, hoặc do có sự thay đổi đột ngột các điều kiện sinh trưởng có khả năng hình thành bào tử ở bên trong tế bào, được gọi là nội bào tử (endospores). Mỗi tế bào vi khuẩn chỉ tạo một nội bào tử nên loại bào tử này không phải là bào tử sinh sản, khác với các loại đính bào tử (conidiospores), bào tử túi (ascospores) hay bào tử đảm (basidiospores) ở nhiều loài nấm, chúng là những bào tử sinh sản vô tính hay hữu tính. Những vi khuẩn có khả năng hình thành nội bào tử gồm nhiều loài thuộc các giống Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, Sporolactobacillus, Thermoactinomyces. Vỏ bào tử đặc trưng bằng sự có mặt của acid dipicolinic (dưới dạng dipicolinate calcium), hợp chất này có thể chiếm tới 10 - 15% trọng lượng khô của bào tử. Vai trò của hợp chất dipicolinate calcium làm cho bào tử chống chịu được nhiệt độ cao, khi thí nghiệm người ta đã thay calcium bằng strontium thì khả năng chịu nhiệt của bào tử thu được kém đi. Một hợp chất khác của vỏ bào tử mới tìm thấy là acid L.N-succinyl- glutamic không có trong tế bào sinh dưỡng và chỉ được tổng hợp khi hình thành bào tử, ngay giai đoạn đầu khi hình thành vách ngăn DNA mới với một ít nguyên sinh chất, hợp chất này giúp cho bào tử bền nhiệt. Khi hình thành bào tử, tế bào có thể mất đi đến 70% nước. Một số vi khuẩn khi hình thành bào tử có thể tồn tại rất lâu trong tự nhiên, ví dụ Bac. anthracis có thể sống tiềm sinh trong nhiều năm. Trong một số chất độc tế bào vi khuẩn bị chết rất nhanh nhưng bào tử có thể tồn tại được khá lâu, ví dụ trong phenol có thể vẫn sống trong 15 ngày, trong HgCl2 1% tồn tại
36 trong 2 ngày. Thời gian để hình thành bào tử khác nhau tùy loài (từ vài giờ đến 20 giờ). Khi đưa bào tử vào môi trường thuận lợi để phát triển, bào tử sẽ có hàng loạt thay đổi tích cực và mọc mầm, quá trình mọc mầm gồm 3 giai đoạn chủ yếu: hoạt hóa, nứt vỏ và mọc ra. muốn quan sát được bào tử người ta dùng phương pháp nhuộm đơn hoặc kép. 4. Xạ khuẩn và vi khuẩn nội bào Những vi khuẩn thuộc bộ Actinomycetales (nhóm bậc thấp và bậc cao) là những vi khuẩn có hình sợi Gram dương, sợi có thể phân nhánh, thường gặp chúng trong đất và nước. Nhưng xạ khuẩn rất gần với nấm về hình dạng hệ sợi phát triển trong cơ chất như bộ "rễ" hấp thụ chất dinh dưỡng, hệ sợi mặt có chất tạo nên khung của khuẩn lạc và hệ sợi khí sinh tận cùng bằng những cuống mang bào tử. Đó là những loài thuộc giống Streptomyces, một giống đã khai thác được khoảng 50% số kháng sinh hiện biết, đường kính sợi khoảng 1- 2μm (nhỏ hơn nhiều so với đường kính sợi nấm 7 - 9μm). Xạ khuẩn cũng giống như vi khuẩn là chưa có nhân được bao bọc bằng màng, thành tế bào xạ khuẩn khong chứa cellulose hay chitine mà chứa hợp chất điển hình của vi khuẩn là glucopeptide. Xạ khuẩn cũng có quá trình sinh sản phân bào theo kiểu amitose (phân bào không tơ), loại vi khuẩn này cũng chưa có giới tính, nghĩa là chưa có sự phân hóa thành tế bào đực, cái và có thể hình thành hợp tử từng phần nhờ tiếp hợp, tải nạp và biến nạp, xạ khuẩn cũng bị phage tấn công và gọi là Actinophage. Streptomyces là một giống xạ khuẩn bậc cao được Waksman và Henrici đặt tên năm 1943. Chúng có vị trí tiến hóa cao trong số các giống thuộc vi khuẩn Gram dương, có trị số % mol Guanine và Xytozin rất cao (69 - 77% (G + X) trong DNA). Xạ khuẩn sinh sản vô tính bằng bào tử. Trên đầu sợi khí sinh của Streptomyces hình thành cuống bào tử và chuỗi bào tử. Sợi mang bào tử có những hình dạng khác nhau tùy theo loài: thẳng-lượn sóng (Retiflexibilis), xoắn (Spirales) hoặc có móc, vòng (Retinaculiaperti)… đoạn tận cùng của cuống mang bào tử bằng phương pháp cắt khúc (segmentation) hay kết đoạn (fragmentation) mà hình thành nên chuỗi bào tử. Bào tử xạ khuẩn (Arthrospores bào tử đốt) hình bầu dục, hình lăng trụ hoặc hình cầu với đường kính khoảng 1,5μm. Màng bào tử xạ khuẩn có thể nhẵn (smooth), gai (spiny), tóc (hairy), khối u (warty), nếp nhăn (rugose)… tùy thuộc vào loài xạ khuẩn. Những tiểu tiết này có thể thay đổi theo quy luật trên môi trường nuôi cấy, thường thì xạ khuẩn có tiểu tiết
37 có thể có màng nhẵn trên môi trường có nguồn nitơ hữu cơ, trên môi trường có đạm vô cơ và glucose các bào tử dễ biểu hiện các tiểu tiết rõ nhất. Màu sắc của khuẩn lạc và hệ sợi khí sinh cũng rất khác nhau tùy theo nhóm Streptomyces, màu sắc này cũng có thể biến đổi khi nuôi cấy trên môi trường khác nhau, chính vì vậy mà ủy ban quốc tế về phân loại xạ khuẩn (ISP) đã nêu ra các môi trường chuẩn và phương pháp chung để phân loại nhóm vi sinh vật này. Hiện nay khoa học đã mô tả được khoảng 600 loài xạ khuẩn bậc cao này. - Rickettsia là một giống của Rickettsiaceae, Rickettsiales, đây là vi khuẩn ký sinh nội bào, có 3 nhóm (Tribus): Rickettsiae, Ehrlichiae và Wolbachiae với 2 giống chủ yếu là Rickettsia và Coxiella, ký sinh ở động vật có xương. Những vi khuẩn này cũng có 2 loại acid nucleic, thành tế bào cũng có hợp chất đặc trưng của thành tế bào vi khuẩn, sinh sản bằng cách chia đôi khi ở trong tế bào động vật. - Chlamydia là một giống của Chlamydiaceae, thuộc bộ Chlamydiales, là những vi khuẩn ký sinh bắt buộc, Gram âm và có nhiều điểm giống Rickettsia, trong động vật có xương sống chúng không tạo ra ATP riêng mà sử dụng ATP của vật chủ, kích thước của chúng rất nhỏ (0,3 - 0,45μm) vì thế trong một thời gian dài trước đây người ta coi chúng là một loại virus (virus kiềm tính Van Royen). - Mycoplasma thuộc họ Mycoplasmaceae, họ độc nhất của bộ Mycoplasmales (đôi khi là Mycoplasmatales - Freundt, 1955). Chúng là những vi khuẩn không có thành tế bào, thân mềm dễ biến hình, bất động. Trong bộ Mycoplasmales có các dạng vi khuẩn Mycoplasma dạng L và PPLO. Đây là những vi khuẩn thuộc Tenerecutes, lớp Mollicutes, đó là lớp vi khuẩn tiêu giảm thành, vi khuẩn có kích thước nhỏ nhất khoa học hiện biết (0,1 - 0,3μm) vì vậy chúng dễ qua màng lọc vi khuẩn, chúng là tác nhân gây các bệnh hô hấp, tiết niệu - sinh dục. 5. Vi sinh vật cổ (Archaea) Các vi sinh vật cổ mà trước đây gọi là các vi khuẩn cổ (Archaeobacteria) là nhóm cơ thể nhân sơ có sớm nhất (khoảng 4 tỷ năm trước đây), được Woese R. và Woese C.R. tách ra thành một nhánh tiến hóa riêng. Những cơ thể còn lại hiện nay thường sống trong các điều kiện khác thường. Những nghiên cứu gần đây về nhiệt độ và pH tối ưu của vi khuẩn ưa nhiệt và Archaea cho phép chia vi sinh vật cổ thánh 2 nhóm: Crenarchaeota và Euryarchaeota. Nhóm Crenarchaeota là những vi sinh vật cổ kị khí bắt buộc, ưa nhiệt và ưa acid (Thermoacidophiles, Thermophiles anaerobies stricts).
38 Nhóm Euryarchaeota là những vi sinh vật cổ ưa mặn, sinh methane (methanogenes) và một vài loài kị khí ưa nhiệt. Bảng 2.3: So sánh một số tính chất giữa vi khuẩn và vi sinh vật cổ Tính chất Bacteria Archaea Thành phần thành tế bào Murein Pseudomurein, protein, polysaccharide Lipid của màng Glycerol, acid Glycerol, ete béo, aster isopranyl Hình dạng tế bào có loại - + (hoặc không) hình vuông và dẹt Nội bào tử (endospore) + (hoặc không) - Chất "ở nhánh" của RNAt Pseudouridine hoặc Ribothymidine L.methylpseudouridine Hình thành chất kích thích + - methyonyl RNAt Các intron trong gen - + Có Polymerase - RNA loại - + nhân chuẩn Có coenzyme đặc biệt - + 900C 1100C Nhiệt độ sinh trưởng tối đa Có quang hợp phức tạp Có thể - Có thể sinh methane - + Chu trình Calvin được sử Có thể - dụng khi cố định CO2 Những vi sinh vật cổ (số liệu chủ yếu dựa trên methanogenes) là những đơn bào nhỏ khoảng 1μm có thành tế bào gồm những hợp chất đặc biệt (thay vì murein ở đây có acid talosaminuronic, ester của acid béo mạch không thẳng và glycerol, sự phân nhánh của chuỗi dang ether (-O-) mà không phải dạng ester (-CO-O-) (lipide ether-phytanyl), có nhiều liên kết muối và hydro trong protein, có pseudouracil ở vị trí uracil trong RNAt, không có dihydrouracil, thymine trong vòng bên của RNAt, chất nhân phân tán trong sinh chất với lượng nhỏ (chỉ bằng khoảng 1/3 so với chất nhân của E.coli). DNA của chúng giàu hàm lượng G + X (mối liên kết 3 hydrrogen), ribosome loại cơ thể nhân sơ, có intron, có coenzyme đặc biệt (M), hầu như không có sự ổn định về quinon và cytochrome. Chính những đặc điểm đó đã giúp cho vi sinh vật cổ sống trong những điều kiện khác thường: nhiệt độ cao (có loài sống được ở 2500C) dưới 265 atm, chống chịu với lysozyme… Có 3 nhóm sinh lý và sinh thái quan trọng là: * Các cơ thể sinh methane (methanogenes), đây có lẽ là nhánh cổ xưa nhất, ở các lớp nước sâu, ở đáy, kị khí, một số loài tìm thấy trong
39 đường tiêu hóa của động vật nhai lại. Phân loại cơ thể sinh methane dựa chủ yếu vào khả năng và cơ chế sinh methane của chúng, gồm có 5 bộ: - Methanobacteriales, có các loài: Methanobacterium ivanovii, M. thermoautotrophicum, M. smithii, M. fervidus, M. sociabilis. - Methanococcales, có các loài Methanococcus voltae, M. vannielii, M. thermolithotrophicus. - Methanomicrobiales, có loài Methanomicrococcus sp. - Methanosarcinales, có các loài Methanosarcina mazeii, M. barkeri, M. thermophila, M. acetivorans, Methanothrix sp. - Methanopyrales có loài Methanopyrus sp. Những cơ thể sinh methane có thể thực hiện những cơ chế khác nhau tùy theo loài (hầu hết là cơ thể kị khí bắt buộc): CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (ΔG10 = -135,4 KJ/mol) CH3COOH → CH4 + CO2 (ΔG10 = -32,5 KJ/mol) HCOOH + 3H2 → CH4 + 2H2O CH3OH + H2 → CH4 + H2O (ΔG10 = -112,5 KJ/mol) CH3NH2 + H2 → CH4 + NH3 (CH3)2S + 2H2 → 2CH4 + H2S Người ta cho rằng những cơ thể sinh methane cùng với cơ thể dinh dưỡng methane (methanotrophes) đã làm tuần hoàn nguyên tử carbon trong thời kỳ khí quyển không có hoặc rất ít oxy. Sự biển đổi từ CO2 thành CH4 được biết ở vi sinh vật cổ có 4 giai đoạn: + 2 H+ 2H+ 2H+ 2H 2e- 2e- 2e- 2e- CO2 HCOOH HCHO CH3OH CH4 acid formic H2O formandehyde methanol H2 O Trong khi đó, quá trình oxy hóa methane ở cơ thể dinh dưỡng methane (methanotrophes) được thực hiện theo cơ chế như sau: CO2 CH4 CH3OH HCHO HCOOH CO2 2H+ PQQH2 NAD+ NAD+H+ NAD+ NAD+H+2e- H PQQ Cơ thể đồng hóa