Di truyền học vi sinh vật ứng dụng

HOÀNG TRỌNG PHÁN (Chủ biên) TRƯƠNG THỊ BÍCH PHƯỢNG

Giáo trình

DI TRUỸN häc VI SINH

VậT vμ ứNG DụNG

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ Huế - 2008

Có thể bạn quan tâm!

Lời nói đầu

Đến nay, di truyền học ra đời chỉ mới hơn một trăm năm song nó đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng. Đặc biệt là, trong vòng 50 năm lại đây kể từ ngày James Watson và Francis Crick khám phá ra cấu trúc phân tử DNA, 25/4/1953. Sự hoàn thành việc Giải mã di truyền bởi hai nhóm nghiên cứu của Marshall Nirenberg và Gobind Khorana vào tháng 6 năm 1966, và sự ra đời của Kỹ thuật di truyền vào giữa thập niên 1970 là hai sự kiện nổi bật nhất kể từ sau khi Sinh học phân tử ra đời. Sự phát triển cùng với những thành tựu đạt được của di truyền học trong thời gian qua quả là vô cùng to lớn!

Để góp phần đổi mới nội dung giáo trình Di truyền học Vi sinh vật và Ứng dụng theo hướng cập nhật kiến thức cũng như phương pháp dạy và học bộ môn ở bậc Đại học, chúng tôi đã tham cứu nhiều tài liệu khác nhau và nỗ lực biên soạn giáo trình trên tinh thần ấy. Chúng tôi hy vọng rằng giáo trình này sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu giảng dạy và học tập của giảng viên và sinh viên, và cũng có thể sử dụng như một tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên Sinh học các trường THPT trong bối cảnh đổi mới giáo dục hiện nay.

Nội dung giáo trình gồm Bài mở đầu và 8 chương: Chương 1 giới thiệu các đặc điểm của di truyền học vi sinh vật. Chương 2 - Cơ sở phân tử của tính di truyền - trình bày khái quát về cấu trúc và tổ chức của các bộ gene vi sinh vật và các cơ chế truyền thông tin di truyền chủ yếu là ở sinh vật tiền nhân (prokaryote). Chương 3 đi sâu phân tích các khía cạnh của các nguyên lý điều hoà biểu hiện gene ở vi khuẩn. Chương 4 - Biến dị ở vi sinh vật - đề cập đến các quá trình biến đổi của vật chất di truyền ở các vi sinh vật (đột biến gene, sửa chữa DNA và các yếu tố di truyền vận động). Chương 5 tập trung vào lĩnh vực di truyền học của các virus. Chương 6 trình bày các nguyên lý của di truyền học vi khuẩn - tiếp hợp, biến nạp và tải nạp. Chương 7 giới thiệu những hiểu biết mới có tính chất đại cương về di truyền vi nấm và vi tảo. Và chương 8 tập trung trình bày các khái niệm, phương pháp và thành tựu của lĩnh vực công nghệ DNA tái tổ hợp - tạo dòng gene ở vi sinh vật, cũng như các ứng dụng của nguyên lý kỹ thuật di truyền liên quan vi sinh vật trong việc tạo ra các sinh vật biến đổi gene (genetically modified organisms = GMOs) và phóng thích chúng

vào môi trường.

Cuối mỗi chương đều có các phần Câu hỏi và Bài tập và Tài liệu tham khảo để bạn đọc tiện ôn tập và tra cứu. Và, trong chừng mực có thể, các thuật ngữ khoa học thông dụng được sử dụng bằng tiếng Anh hoặc chú thích trong ngoặc đơn để giúp người học dễ dàng hơn trong việc tiếp cận thông tin qua sách báo nước ngoài hoặc internet.

Giáo trình Di truyền Vi sinh vật và Ứng dụng do ThS. Hoàng Trọng Phán và TS. Trương Thị Bích Phượng - các giảng viên đang công tác tại Khoa Sinh học các trường Đại học Sư phạm và Đại học Khoa học, Đại học Huế - biên soạn, với sự phân công như sau:

ThS. Hoàng Trọng Phán chủ biên với Bài mở đầu và các chương 1, 2, 3, 6, và 8; TS. Trương Thị Bích Phượng biên soạn các chương 4, 5 và 7.

Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Dự án Giáo dục Đại học Huế đã tài trợ cho việc biên soạn giáo trình trong khuôn khổ của Dự án Giáo dục Đại học mức B.

Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đặc biệt đến PGS. TS. Phạm Thành Hổ - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh đã dày công đọc bản thảo và cho nhiều ý kiến quý báu.

Do khả năng còn hạn chế, chắc chắn giáo trình còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự phê bình và chỉ bảo của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn chỉnh hơn trong lần in sau.

Xin trân trọng cảm ơn!

Huế, ngày 10 tháng 5 năm 2006

Các tác giả, HOÀNG TRỌNG PHÁN

TRƯƠNG THỊ BÍCH PHƯỢNG

Bài mở đầu

Di truyền học Vi sinh vật và Cách mạng Công nghệ Sinh học

I. Sự ra đời và phát triển của di truyền học và công nghệ DNA tái tổ hợp

Sự ra đời và phát triển của di truyền học gắn liền với tên tuổi của Gregor Mendel năm 1865 và trải qua các giai đoạn sau đây.

1. Sự ra đời và phát triển của di truyền Mendel

Từ đậu Hà Lan (Pisum sativum), với ý tưởng và phương pháp nghiên cứu độc đáo, năm 1865 Gregor Mendel (Hình 1) đã phát hiện ra các quy luật di truyền cơ sở đầu tiên và qua đó suy ra sự tồn tại tất yếu của các đơn vị đi truyền đặc thù - nhân tố di truyền (genetic factor) - quy định các tính trạng được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác mà sau này gọi là gene. Tuy nhiên, giới khoa học đương

thời không hiểu và do đó không thể đánh giá tầm vóc vĩ đại của phát minh này.

Hình 1 G. Mendel

Mãi đến năm 1900, ba nhà thực vật học là Carl Correns (Germany), Hugo de Vries (Netherlands) và Erich von Tschermak (Austria) độc lập nhau khám phá lại các quy luật di truyền của Mendel. Và di truyền học chính thức ra đời từ đây mà người sáng lập là Mendel.

2. Sự ra đời và phát triển của thuyết di truyền nhiễm sắc thể

Từ 1910, Thomas Hunt Morgan (Hình 2) cùng với ba cộng sự là Alfred H.Sturtevant, Calvin Bridges và Herman J. Muller đã xây dựng thành công thuyết di truyền nhiễm sắc thể (chromosome theory of inheritance) dựa trên đối tượng nghiên cứu là ruồi giấm Drosophila melanogaster. Học thuyết này xác nhận rằng gene là đơn vị cơ sở của tính di truyền nằm trên nhiễm sắc thể (ở trong

nhân); trên đó các gene sắp xếp theo đường thẳng

Hình 2 T.H.Morgan

tạo thành nhóm liên kết. Những đóng góp đáng kể của các môn đệ xuất sắc của Morgan đó là: xây dựng bản đồ di truyền (Sturtevant 1913), chỉ ra cơ chế xác định các kiểu hình giới tính ở ruồi giấm (Bridges 1916) và phát

triển phương pháp gây đột biến bằng tia X (Muller 1927). Với đóng góp to lớn đó Morgan đã được trao giải Nobel năm 1933 và Muller năm 1946.

Năm 1931, Barbara McClintock (Hình 3) và Harriet Creighton thu được bằng chứng vật lý trực tiếp về tái tổ hợp ở ngô. Sau đó, hiện tượng này cũng được C. Stern quan sát ở Drosophila. Như vậy tái tổ hợp có thể được phát hiện cả về mặt vật lý lẫn di truyền ở động vật cũng như ở thực vật. Đến 1944, McClintock phát hiện các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements), và bà đã được trao giải Nobel năm 1983 về khám

phá này. Hình 3 B.McClintock

3. Sự ra đời và phát triển của di truyền học phân tử

Sự ra đời của di truyền học phân tử (molecular genetics) gắn liền với các khám phá về DNA (deoxyribonucleic acid) từ giữa thế kỷ XX trên đối tượng nghiên cứu chủ yếu là các vi sinh vật. Tuy nhiên, trước đó Friedrich Miescher (1869) đã khám phá ra một hỗn hợp trong nhân tế bào gọi là nuclein mà thành phần chính của nó sau này được biết là DNA.

Hình 4 Beadle, Tatum, Jacob và Monod (từ trái sang)

Về mối quan hệ giữa gene và protein, từ 1902 Archibald Garrod qua nghiên cứu bệnh alcaptonuria ở người đã gợi ý rằng đây là một tính trạng lặn Mendel, có thể liên quan tới sự sai hỏng một enzyme. Bằng các thí nghiệm gây đột biến các gene liên quan đến các con đường sinh hóa trên nấm mốc Neurospora, năm 1941 George Beadle và E.L.Tatum (Hình 4) xác nhận mỗi gene kiểm soát sự tổng hợp một enzyme đặc thù. Chính giả thuyết một gene-một enzyme (one gene-one enzyme hypothesis) nổi tiếng này đã mở đường cho sự ra đời của di truyền hóa-sinh, và hai ông đã được trao giải Nobel cùng với Joshua Lederberg năm 1958. Về sau, giả thuyết này được chính xác hóa là một gene xác định chỉ một chuỗi polypeptid - cấu trúc sơ cấp của các protein, trong đó có các enzyme.

Vậy bản chất của gene là gì? Năm 1944, Oswald Avery (Hình 5) và

các cộng sự là MacLeod và McCarty bằng thí nghiệm biến nạp in vitro đã chứng minh rằng DNA là vật chất mang thông tin di truyền. Năm 1949, Erwin Chargaff công bố các kết quả đầu tiên về thành phần hóa học của DNA một số loài.

Hình 5 O.T. Avery, MacLeod và McCarty (từ trái sang)

Việc nghiên cứu cấu trúc phân tử DNA được bắt đầu từ 1951 với các dẫn liệu nhiễu xạ tia X của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins (Hình 6). Các số liệu hóa học và vật lý này là cơ sở mà từ đó James Watson và Francis Crick (Hình 7) đã xây dựng thành công mô hình cấu trúc phân tử DNA năm 1953, còn gọi là chuỗi xoắn kép (double helix). Phát minh vĩ đại này mở ra kỷ nguyên mới cho sự phát triển của di truyền học và sinh học nói chung. Với phát minh đó, Watson và Crick cùng với Wilkins được trao giải Nobel năm 1962 . Kể từ sau đó là sự ra đời của hàng loạt các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học phân tử, đáng kể là việc giải mã di truyền được hoàn tất vào tháng 6 năm 1966 bởi hai nhóm nghiên cứu của M. Nirenberg và H. Khorana (giải Nobel năm 1968).

Hình 6 R.Franklin (trái), M.Wilkins. Hình 7 J.D.Watson (trái) và F.H.C.Crick

4. Sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA tái tổ hợp

Có thể nói, nền tảng của công nghệ DNA tái tổ hợp (recombinant DNA technology) được thành lập từ 1972 khi Paul Berg (Hình 8) tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên trong ống nghiệm (recombinant DNA in

vitro). Một năm sau Herbert Boyer và Stanley Cohen (Hình 8) lần đầu tiên sử dụng plasmid để tạo dòng DNA. Lĩnh vực ứng dụng mới này của sinh học phân tử đã tạo ra một cuộc cách mạng mới trong sinh học. Đóng góp đáng kể trong lĩnh vực này là khám phá về các enzyme giới hạn (restriction enzyme) từ 1961-1969 của Werner Arber, Daniel Nathans và Hamilton Smith (giải Nobel 1978; Hình 8); đề xuất các phương pháp xác định trình tự base trong các nucleic acid năm 1977 bởi P.Berg, W.Gilbert và Frederick Sanger (giải Nobel hóa học 1980; Hình 8); sự khám phá ra các gene phân đoạn (split gene) năm 1977 bởi Phillip Sharp và Richard Robert (giải Nobel 1993; Hình 8); sự phát minh ra phương pháp PCR (polymerase chain reaction) của Kary B.Mullis năm 1985 (Hình 8) và phương pháp gây đột biến định hướng (site-directed mutagenesis) của Michael Smith từ 1978-1982 (giải Nobel hóa học 1993)...

Hình 8A Các nhà khoa học đoạt giải Nobel y học liên quan kỹ thuật gene. Từ trái sang: D.Nathans, H.Smith, W.Arber, P.Sharp và R.Robert.

Hình 8B Các nhà khoa học đoạt giải Nobel hóa học liên quan kỹ thuật gene. Từ trái sang: H.Boyer, S.Cohen, P.Berg, W.Gilbert, F.Sanger và K.Mullis.

Cùng với những thành tựu ứng dụng ly kỳ trong sản xuất và đời sống xã hội, như việc sản xuất các chế phẩm y-sinh học bằng công nghệ DNA tái tổ hợp, sử dụng liệu pháp gene (gene therapy) trong điều trị bệnh di truyền, tạo các giống sinh vật mới bằng con đường biến đổi gene (genetically modified organisms = GMOs), dự án bộ gene người (Human Genome Project = HGP)... gây ra không ít hoài nghi, tranh cãi xung quanh các vấn đề về đạo lý sinh học (bioethics) và an toàn sinh học (biosafety).