phân loại vi sinh vật bằng sinh học phân tử (tt)

Chia sẻ: Nguyen Phuong Anh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

102
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khái quát chung: PCR là phương pháp dùng enzym khuyếch đại chọn lọc một đoạn ADN theo luật số mũ. Phản ứng nhân gene được thực hiện với enzym ADN chịu nhiệt, hai mồi tổng hợp và 4 loại deoxyribonucleic (dATP, dGTP, dCTP và dTTP). Mỗi một chu kỳ phản ứng nhân gene gồm 3 bước

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: phân loại vi sinh vật bằng sinh học phân tử (tt)

2.3. Nhân gene và kỹ thuật giải trình tự ADN. Sau đây là những nét chung nhất của kỹ thuật PCR: Nguyên tắc cơ bản của PCR:
+ Khái quát chung: PCR là phương pháp dùng enzym khuyếch đại chọn lọc một đoạn ADN theo luật số mũ. Phản ứng nhân gene được thực hiện với enzym ADN chịu nhiệt, hai mồi tổng hợp và 4 loại deoxyribonucleic (dATP, dGTP, dCTP và dTTP). Mỗi một chu kỳ phản ứng nhân gene gồm 3 bước (xem hình vẽ minh hoạ): Bước 1 là biến tính ADN, có tác dụng tách hai sợi đơn từ sợi khuôn xoắn kép. Bước 2 là bắt cặp hai mồi vào hai sợi đơn của khuôn. Bước 3 là kéo dài chuỗi theo mồi, chiều 5’-3’ với quá trình trùng hợp gắn các dNTP dọc theo sợi khuôn để tạo thành
phiên bản mới theo nguyên tắc bổ sung. Tính đặc hiệu của phản ứng được quy định bởi mồi và sự sao chép trực tiếp theo trình tự sợi khuôn giữa hai mồi. Như vậy, kết quả tạo ra hàng triệu phiên bản sợi khuôn trong vài giờ. Mồi cho phản ứng là các đoạn ADN có kích thước 20-30 nucleotid được thiết kế theo trình tự của đoạn gene cần khuyếch đại dựa theo dữ liệu có sẵn. Mỗi cặp mồi phải hoàn thành chức năng của mình trong toàn bộ phản ứng, tức là chúng phải bám đặc hiệu vào đúng vị trí riêng cho từng mồi. Sở dĩ như vậy là do nếu chúng không bám vào vị trí đặc hiệu thì không thể
khuyếch đại được đoạn gene đích. Với các gene có độ bảo thủ cao như rADN thì khi cặp mồi được thiết kế thì chúng có thể nhân được gene từ nhiều đối tượng. Ngược lại, trong nhiều trường hợp dùng mồi không đặc hiệu thì có thể nhân được các sản phẩm PCR không đặc hiệu. Tuy nhiên, cả hai kết quả trên đều được dùng cho định typ vi sinh vật. Thí nghiệm phản ứng PCR lần đầu tiên dùng mảnh Klenow của enzym ADN polymerase I từ E.coli. Tuy nhiên, enzym này bị o biến tính tại 94 C và như vậy cần phải bổ sung enzym mới sau mỗi chu kỳ phản ứng. Đến nay quá trình này đã được cải thiện do dùng
enzym Taq ADN polymerase (Taq = Thermus aquaticus ) chịu nhiệt. Enzym này được tách ra từ vi khuẩn sống ở suối nước nóng. Tốc độ xúc tác cho phản ứng của enzym này rất nhanh, có thể đạt khoảng 8000 bp/phút tại o 755 C. Hoạt tính enzym giảm một nửa khi xử lý tại 92.5oC trong 230 phút hoặc 40 phút tại 95oC. Như vậy khi dùng enzym này thì không cần bổ sung enzym mới sau mỗi chu kỳ phản ứng. + Các thông số kỹ thuật:
Bất kỳ một phản ứng PCR nào cũng bắt đầu bằng việc tách ADN làm sợi khuôn. Nói chung, theo lý thuyết chỉ cần một sợi khuôn cũng đủ cho phản ứng tạo ra sản phẩm nhưng trong thực tế cần khoảng 10- 100 ng/phản ứng. Đôi khi chuẩn bị ADN theo phương pháp đơn giản không cần tinh sạch cũng phù hợp cho phản ứng PCR. Tuy nhiên, điều quan trọng là tránh sự có mặt của EDTA (acide éthylène-diamine- tétraacétique) hoặc đệm phosphat vì kết quả sẽ làm giảm Mg++ (do EDTA hoặc tạo thành muối Mg3(PO4)2 khi nhiệt độ cao). Phản ứng PCR có thể nhân được đoạn gene dài 10 Kb nhưng trong thực tế
thường dùng để nhân các đoạn có kích thước ngắn hơn (
mM Taq 1U polymerase KCL 50 mM Tris HCL 10 mM (pH 8.4) tại 25oC MgCl2 2.85 mM Gelatin 100 mg/l Nonidet-40 0.05% Số chu kỳ cho phản ứng tạo sản phẩm đặc hiệu từ 20-30 chu kỳ. Điều chú ý là các mồi cho phản ứng phải có nhiệt độ bắt cặp với ADN đích gần nhau, có trình tự không bổ sung nhau để tránh bắt
cặp với nhau. Trình tự đầu 3’ của các mồi cũng phải khác với trình tự vùng trung tâm của sản phẩm để tránh tạo thành hiện tượng kẹp tóc. Nói chung, ngày nay người ta có thể tối ưu hoá việc chọn mồi nhờ sự trợ giúp của các chương trình máy tính. Đôi khi cũng xuất hiện hiện tượng nhân sản phẩm PCR không đặc hiệu, điều này thường hay xuất hiện khi dùng các cặp mồi suy biến từ chuỗi acid amin. Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp này thì việc thay đổi điều kiện phản ứng có thể hạn chế được các sản phẩm không mong muốn. Các thành phần như nhiệt độ, nồng độ Mg++ và enzym
có ảnh hưởng lớn đến tính đặc hiệu. Sự có mặt của nonidet-40 có tác dụng tăng hiệu suất của phản ứng. Việc ứng dụng kỹ thuật RFLP với sản phẩm PCR có thể là cách nhanh chóng để tìm sự khác biệt đối với các gene khác nhau. Với cách này yêu cầu sản phẩm PCR phải sạch và đồng nhất. Theo cách này trình tự có thể được thực hiện như sau: Sau khi điện di kiểm tra độ sạch của sản phẩm PCR, tiến hành kết tủa với ethanol. Kết tủa được hoà với đệm thích hợp và sau đó được xử lý với enzym cắt hạn chế thích hợp. Kiểm tra kết quả thông thường trên gel agarose, trong một số trường hợp có thể trên
gel polyacylamid để thu được độ phân giải cao hơn. Chú ý rằng thông thường hoạt tính enzym giảm 5% sau mỗi chu kỳ nhiệt. Như vậy có thể ước lượng 50% hiệu quả khuyếch đại mất đi trong toàn bộ quá trình phản ứng. + Một số khó khăn với phản ứng PCR: PCR là kỹ thuật có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu sinh học phân tử nhưng cũng nảy sinh một số vấn đề cần chú ý đặc biệt khi phát hiện một số bệnh virus hay vi khuẩn. Vấn đề ở đây là acid nucleic của cả tế bào chết và tế bào sống đều cho kết quả dương tính trong phản ứng
PCR. Phản ứng nhạy nên mọi sự nhiễm ADN đều có thể đưa đến sản phẩm dương tính giả trong kết quả. Để hạn chế thực tế này cần tiến hành với các mẫu đối chứng cần thiết để biết được sự nhiễm tạp từ các thành phần phản ứng hay từ dụng cụ thí nghiệm. Một vấn đề nữa cũng cần đề cập là sai số trong phản ứng nhân gene với enzym taq ADN polymerase. Sai sót thêm nucleotid xảy ra với mỗi một đơn vị sao chép khoảng 9000 nucleotid và đột biến dịch khung xảy ra với số lượng tương ứng khoảng 40 000 nucleotid.
+ Một số kỹ thuật PCR khác: Một số kỹ thuật phát triển trên cơ sở của kỹ thuật PCR có ý nghĩa quan trọng cho định danh và định typ vi sinh vật là nested PCR (PCR lồng), revert transtriptase PCR (sao chép ngược) và asymmetric PCR (PCR một chiều). PCR lồng là phản ứng PCR bao bồm hai phản ứng đồng thời, phản ứng đầu ở vòng ngoài gene và sản phẩm của nó lại làm khuôn cho phản ứng sau cho đoạn nằm trong gene. Như vậy phản ứng sau cần 1 hay 2 mồi để nhân phần gene nằm trong sản phẩm PCR từ hai mồi phía ngoài tạo ra. Vai trò kỹ thuật này làm
tăng độ nhạy và đặc hiệu của phản ứng PCR. Phản ứng PCR phiên mã ngược được dùng để nhân ADN từ ARN của virus. Việc kết hợp phản ứng này với PCR lồng có tác dụng phát hiện ARN tại thời điểm nhất định của mẫu. Kỹ thuật PCR một chiều được ứng dụng trong phương pháp giải trình tự ADN trực tiếp từ sản phẩm PCR.phẩm PCR. + Sử dụng kỹ thuật PCR cho xác định typ vi sinh vật: Như đã trình bày ở trên, dùng cặp mồi đặc hiệu có thể xác định được gene đặc trưng cho loài hay
thậm chí một chủng vi sinh vật nào đó. Các chiến lược ứng dụng lợi thế của kỹ thuật PCR dùng trong xác định typ vi sinh vật trong nghiên cứu dịch tễ học được chia làm 4 nhóm sau: - Phân tích RFLPs với sản phẩm PCR khi dùng cặp mồi đặc hiệu. Trong trường hợp này dùng kết hợp kỹ thuật PCR và xử lý sản phẩm PCR với enzym cắt hạn chế và quan sát kết quả sau khi điện di sản phẩm trên gel agarose hoặc polyacrylamid Một dẫn chứng cho kỹ thuật này là kết quả nhân gene synthase citrat trong Ricketsiae sau
đó sản phẩm PCR được xử lý với enzym cắt hạn chế để phân biệt giữa các chủng với nhau (Regnery và Ctv, 1991). Các ví dụ sau (bảng 1.8) đã cho thấy hiệu quả của phương pháp này. Bảng 1.9. Một số ví dụ cho kỹ thuật RFLPs (Restriction Fragment Length Polymorphism) phân tích các gene đặc hiệu được nhân lên bằng kỹ thuật PCR. Chủng vi sinh Tác giả vật nghiên cứu nghiên cứu và tài liệu dẫn Chlamydia spp. Kaltenboek et
al (1992) Clostridium spp. Gurtler et al. (1991) Helicobacter Foxall et al. pylori (1992) Hepatilis C virus Okamoto et al.(1992) Mycobacterium Ross tuberculosis &Dwyer(1993 ) Nitrobacter spp. Navarro et al.(1992) Rickettsia spp. Regnery et al. (1991) Streptococcus sp McClellADN p. et al. (1992)
+ Dùng kỹ thuật PCR cho ribotyping: Kỹ thuật PCR ribotyping là ứng dụng các cặp mồi đặc hiệu để nhân các vùng gene của ARN (thuộc ribosom hay ARN vận chuyển). Tuy nhiên, trong thực tế kỹ thuật này yêu cầu kinh nghiệm, kỹ thuật và tốn thời gian để thực hiện phép lai. Để khắc phục hạn chế này một cách tiếp cận được trình bày ở đây là phân tích đa hình (dấu vân tay) của vùng gene này hay vùng gene xen kẽ của rARN hoặc tARN. Hầu hết các chủng vi khuẩn đều chứa 2-22 phiên bản rARN
trong mỗi tế bào (Gottlie và Rundner, 1985) trong khi đó vùng xen kẽ giữa 16S và 23S chứa một số các đoạn ADN lặp lại (Bacot và Reeves, 1991). Trong khi đoạn gene mã hoá cho tARN khá bảo thủ thì vùng xen kẽ của tARN lại thay đổi từ 2-35bp đối với Bacillus subtilis (Vod, 1985) và từ 2-208bp trên đối tượng E.coli (Jinks- Roberson và Nomura, 1987). Như vậy khi sử dụng cặp mồi nhân toàn bộ vùng gene tARN có thể tạo ra được sự khác biệt giữa các chủng vi sinh vật. Kết quả ứng dụng kỹ thuật này trên một số đối tượng được trình bày trong bảng 1.9.
Bảng 1.10.. Một số ví dụ sử dụng kỹ thuật PCR cho ribotyping. Vi sinh vật Tác giả và tài liệu dẫn Vi khuẩn Klijin lactic etal.(1991) Listeria Czajka et al.(1993) Mycoplasma Van Kuppeveld et al.(1992) Pseudomonas Kostman et cepacia al.(1992) Pseudomonas Seal et solanacearum al.(1992b) Staphylococc Welsh us spp. &McClellADN (1992) Streptococcus McClellADN(1