Chương 10
Di truyền học vi sinh vật (Phần 1)
Di truyền là đặc tính chung của mọi sinh vật giữ lại những và truyền
cho con cháu những đặc điểm về cấu tạo và phát triển của tổ tiên, hay nói
cách khác, là hiện tượng các cá thể trong một gia đình có những thuộc tính
cấu tạo và phát triển giống tổ tiên, với cha mẹ hoặc giữa con cái với nhau.
Biến dị là đặc tính chung của mọi sinh vật có thể mang những sự khác
biệt về nhiều chi tiết tính trạng so với bố mẹ của chúng và với các cá thể
khác cùng loài.
Đối tượng nghiên cứu của di truyền học không chỉ là hiện tượng di
truyền mà cả hiện tượng biến dị. Tính biến dị có vẻ như độc lập với tính di
truyền nhưng thực ra sự khác biệt giữa các cá thể trong một loài trong nhiều
trường hợp liên quan đến sự biến đổi hoặc trong trường hợp khác đến sự
phản ứng của vật chất di truyền của sinh vật.
Ở vi sinh vật biến dị thể hiện ở mức độ lớn hơn ở vi sinh vật bậc cao
nhờ số cá thể trong một quần thể lớn, đơn allele, sinh sản đồng loạt, giai
đoạn sinh dưỡng ngắn, tần số đột biến và tái tổ hợp cao và có khả năng trao
đổi di truyền ngoài loài. Dù cơ chế xuất hiện khác nhau nhưng ở phần lớn
các trường hợp biến dị đều tạo ra những dòng hay tập đoàn có sự thích ứng
tốt nhất với điều kiện ngoại cảnh vốn luôn biến động.
I. Cơ sở vật chất di truyền ở vi sinh vật
1. Vật chất di truyền ở vi khuẩn
Acid nucleic là cơ sở vật chất di truyền của tất cả các dạng sinh vật. Ở
tất cả các sinh vật nhân sơ (prokaryote, còn gọi là sinh vật nhân sơ sơ, bao
gồm các vi khuẩn) hay nhân chuẩn (eukaryote, còn gọi là sinh vật nhân
chuẩn, bao gồm nấm, tức chân khuẩn, nguyên sinh động vật, tảo, thực vật và
động vật bậc cao), trừ virus và các yếu tố sinh học đơn giản hơn như viroid
và prion, tính trạng được mã hóa và tồn trữ dưới dạng mã hóa là trình tự
thẳng của các nucleotide trong thành phần acid deoxyribonucleic (DNA).
Vật chất di truyền này được thể hiện thành tính trạng của cá thể thông qua
quá trình tổng hợp từ khuôn DNA thành phân tử RNA thông tin (quá trình
phiên mã) và sau đó RNA thông tin này lại làm khuôn để tổng hợp protein
(cấu trúc, enzyme, thụ thể, kích thích, kìm hãm,...) trong quá trình gọi là
dịch mã (transcription) dẫn đến biểu hiện tính trạng. Vật chất di truyền được
truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác (và từ thế hệ này sang thế
hệ khác) nhờ quá trình tự sao (replication) của phân tử DNA. Quy tắc này
được gọi là quy tắc trung tâm biểu hiện di truyền.
Ở vi khuẩn DNA có thể gặp ở hai dạng: DNA nhiễm sắc thể và DNA
plasmid. Nhân (thể nhân) vi khuẩn là một nhiễm sắc thể vi khuẩn cấu tạo từ
một phân tử DNA duy nhất xoắn kép (gồm hai mạch xoắn), khép kín (không
có đầu tự do), phân bố trong tế bào chất. Mỗi tế bào vi khuẩn chỉ có một
nhân (thể nhân) duy nhất, mặc dù trước khi phân bào số lượng nhân (nhiễm
sắc thể) thường thấy là 2, 4 hoặc nhiều hơn do quá trình phân bào diễn ra
chậm hơn quá trình phân nhân. Vì vậy, thông thường nhiễm sắc thể được mô
hình hóa trong tế bào vi khuẩn dưới dạng một vòng tròn.
Hình 10.1: Mô hình cấu trúc một đoạn phân tử DNA: một dẫn xuất
purine liên kết qua cầu nối hyđrô với một dẫn xuất pyrimidine nên khoảng
cách giữa hai sườn đường ribose - Acid phosphoric của hai chuỗi là không
đổi, guanine luôn kết hợp với cytosine, adenine kết hợp với thymine của
chuỗi song đối nên trình tự hai chuỗi không bao giờ giống nhau nhưng trình
tự một chuỗi quy định trình tự của chuỗi kia, hơn nữa các sườn có nhiều
nhóm ái thủy nên DNA tan tốt trong nước.
Hai mạch xoắn của phân tử DNA thực chất là hai chuỗi polymer và có
mối quan hệ chặt chẽ với nhau về thành phần hóa học cũng như trình tự sắp
xếp của các monomer được gọi là một nucleotide. Mỗi chuỗi polymer được
cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba thành phần: bazơ
nitơ dị vòng (dẫn xuất purine hoặc pyrimidine), đường deoxyribose (C5) và
Acid phosphoric. Ở DNA, có bốn loại nucleotide: adenine (A), thymine (T),
guanine (G) và cytosine (C) (hay xitôzin). Các nucleotide khác nhau bởi gốc
bazơ khác nhau. Chuỗi polymer của mỗi mạch (sợi) DNA được hình thành
nhờ liên kết phosphoester giữa Acid phosphoric và đường deoxyribose tạo
nên bộ "sườn" của phân tử ((-P-C5-)n). Còn các gốc bazơ nitơ gắn vào
nguyên tử C 1' của phân tử đường deoxyribose. Phân tử Acid phosphoric
trong một nucleotide gắn vào vị trí C 5' của phân tử đường deoxyribose,
trong khi đó nguyên tử C 3' gắn với Acid phosphoric của nucleotide kế tiếp.
Do trình tự hoạt động của các enzyme tổng hợp DNA từ đầu C 5' đến đầu C
3' của mỗi mạch DNA nên người ta quy ước mô tả mạch theo hướng C
5'→C 3'. Ví dụ, nếu không có chú giải khác thì mạch ATT CGC GCA TCA
GCT cũng có nghĩa là 5'-ATT CGC GCA TCA GCT-3' hay 5'-ATT CGC
GCA TCA GCT. Hai chuỗi của một phân tử DNA gắn kết với nhau nhờ các
mối liên kết hyđrô giữa các gốc bazơ, một gốc purine được gắn kết với một
gốc pyrimidine theo nguyên tắc "tương bù": adenine gắn với thymine bằng
hai mối liên kết hyđrô, còn guanine gắn với cytosine bằng ba mối liên kết
hyđrô. Hai chuỗi như vậy không đối xứng mà chạy ngược hướng (đối nghịch
song song, hay song đối) từ 5'→3' hoặc ngược lại. Do một gốc purine của
một chuỗi liên kết với một gốc pyrimidine của chuỗi kia nên khoảng cách
giữa hai sườn (-P-C5-)n của phân tử DNA ở mọi điểm không đổi. Và nhờ vậy
mà sườn này hướng ra phía ngoài và xoắn quanh trục tưởng tượng xuyên
qua các lớp gốc bazơ nitơ vòng, nên với tính ái thủy của Acid phosphoric và
đường deoxyribose, DNA là chất tan tốt trong nước và khá bền vững trong
dung môi này. Do số lượng mối liên kết hyđrô giữa guanine (G) và cytosine
(C) cao hơn nên DNA có nhiều G+C thường có mức nhiệt biến tính hay
"nhiệt nóng chảy" (melting point) cao hơn hay bền vững hơn. Hơn nữa, bên
cạnh cấu trúc xoắn phải (B-DNA) nêu trên, ở những vùng hàm lượng G+C
cao DNA còn có cấu trúc xoắn trái (Z-DNA) là nơi DNA có sự gấp khúc
mạnh và xuất hiện đoạn DNA xoắn chuỗi ba. Có thể những Z-DNA đóng vai
trò quan trọng trong tái tổ hợp gen cũng như điều hòa hoạt động của gen.
Một đoạn DNA mã hóa một RNA (như RNA ribosome, RNA vận
chuyển) hay mã hóa một protein (qua RNA thông tin) được gọi là một gen.
Gen mã hóa phân tử protein được gọi là gen cấu trúc. Ở vi khuẩn toàn bộ
trình tự nucleotide gen cấu trúc được phiên mã thành RNA thông tin và sau
đó dịch toàn bộ thành trình tự Acid amin trong phân tử protein.
Mặc dù được cấu tạo bởi hai chuỗi nhưng ở vi khuẩn (cũng như ở sinh
vật nhân chuẩn) gen chỉ có một mạch "hiệu lực", tức chỉ một mạch làm
khuôn tổng hợp nên RNA thông tin. Hiệp hội sinh hóa quốc tế quy ước
chuỗi làm khuôn để tổng hợp nên RNA thông tin (hay tổng hợp RNA hoạt
động, như RNA ribosome,...) là chuỗi âm. Như vậy, chuỗi dương của một