Trong các phần trước, khi đề cập đến tế bào được dùng để nghiên cứu, chúng đều có nhân. Lớp các tế bào có nhân được gọi là eukaryotic cell [các cá thể có tế bào thuộc lớp này gọi là eukaryotes]. Thực tế, còn tồn tại một lớp tế bào không nhân, gọi là prokaryotic cells [các cá thể có tế bào thuộc lớp này gọi là prokaryotes]. Thông thường prokatyote là đơn bào [unicellular], nhưng cũng có ít trường hợp là đa bào [multicellular], ví dụ: myxobacteria.
Prokaryotes vs. Eukaryotes
Robert Hooke là người đầu phát hiện ra sự tồn tại của tế bào [1665]. Tuy nhiên, đó là tế bào cây [khi quan sát cái nút chai rượu] đã chết; vì thế chúng không có tế bào chất [cytoplasm] nên dẫn đến nhân [nucleus] lúc đó cũng không còn. Vô hình chung nó được xem là tế bào không nhân. 10 năm sau, Anton van Leeuwenhoek [1632-1723], là người đầu tiên, dùng kính hiển vi, đã quan sát được vi khuẩn [bacteria] và động vật nguyên sinh [protozoa].
Bacteria
Bacterial cell
Vi khuẩn là đơn bào và cũng là prokaryote. Như đã đề cập ở các phần trước, thông tin di truyền được tìm thấy bên trong nhân; nên có nghi vấn đặt ra là liệu vi khuẩn có thông tin di truyền không và nếu có thì chúng di truyền như thế nào?– Câu trả lời là có. Vi khuẩn có 2 phương thức sinh sản [để truyền thông tin di truyền]: vô tính [bản thân vi khuẩn tự chia đôi tạo ra 2 vi khuẩn mới – quá trình binary fission], hữu tính [bacteria kết hợp lại và trao đổi thông tin di truyền qua 1 quá trình gọi là tiếp hợp [[bacterial] conjugation]]. Sinh sản hữu tính ở vi khuẩn không có sự kết hợp giữa sperm và egg cells như với các eukaryotes, mà chỉ là trao đổi thông tin di truyền từ một vi khuẩn đực, gọi là [+], với vi khuẩn cái, gọi là [-].
Joshua Lederberg [năm 1945] đã tiến hành thí nghiệm trên vi khuẩn E.Coli. E.Coli có khả năng tự tổng hợp ra chất dinh dưỡng cần thiết cho nó, ví dụ: acids methionine [MET], proline [PRO], threonine [THR], vitamin biotin [BIO]. Thầy của ông, Edward Tatum, đã tiến hành tạo ra 2 dòng vi khuẩn E.Coli đột biến riêng biệt, mỗi dòng từ duy nhất một tế bào vi khuẩn. Điều này đảm bảo là mọi bacteria của mỗi dòng đều có thông tin di truyền giống nhau.Mục tiêu của đột biến là mỗi dòng mất đi khả năng tổng hợp một số chất dinh dưỡng nào đó.Ví dụ: dòng 1 mất khả năng tổng hợp MET và BIO; dòng 2 mất khả năng tổng hợp PRO và THR. Điều đó có nghĩa là các dòng đột biến này không thể phát triển bình thường; đồng thời, dòng này thì có khả nằng tổng hợp ra các chất mà dòng kia thì không thể, và ngược lại.
Khi nuôi các dòng đột biến này trên dĩa có môi trường phù hợp [thường là agar + proteins, nên gọi là agar plates], các dòng này đều phát triển bình thường. Nhận thấy điều đó, Lederberg đã trộn hai dòng đột biến với nhau, nuôi cấy trên môi trường có chứa cả 4 chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của E.Coli. Lúc này cả 2 dòng đột biến, nhờ có chất dinh dưỡng, đều phát triển bình thường. Sau đó, dùng kĩ thuật phân tách từng vi khuẩn đơn lẻ ra, ông tiếp tục quan sát xem chúng có thể tồn tại tiếp được không. Thật bất ngờ, một số trong chúng vẫn tồn tại và phát triển. Điều đó cho thấy, các E.Coli này đã có đủ bộ genes cần thiết, để có thể tạo ra enzymes tổng hợp các chất dinh dưỡng. Tới đâu câu hỏi đặt ra là? Lí do vì sao từ một mutant bacteria lại trở thành một normal bacteria? – Câu trả lời là vi khuẩn đột biến dòng này đã truyền các gene cần thiết sang vi khuẩn đột biến dòng kia, khi cả 2 được ở chung với nhau.
Bacterial conjugation
Nghĩa là một vi khuẩn đột biến đã cung cấp bản sao gene của nó cho vi khuẩn khác, giúp vi khuẩn nhận có đẩy đủ bộ gene. Tuy nhiên, tỉ lệ xảy ra khá thấp, 1/10,000,000 vi khuẩn được nuôi cấy. Quá trình trao đổi gene này được Lederberg đặt tên là tiếp hợp [[bacterial] conjugation]. Sau này, William Hayes đã kết luận rằng conjugation chỉ xảy ra giữa các vi khuẩn khác giới tính: [+] và [-]. [+] bacteria có nhân tố sinh sản [F+] mà [-] bacteria không thể có [F-]. Cụ thể, một cầu nối [gọi là pilus] từ [+] bacteria sang [-] bacteria giúp cho F factor di chuyển từ vi khuẩn [+] sang vi khuẩn [-]. F+ bacteria đóng vài trò là người cho [donor], và F- bacteria sau khi nhận F-factor cũng trở thành donor, hay nói cách khác là trở thành F+ bacteria.
F-factor [A] independent, [B] integrated
F-factor là một phân tử extra-chromosomal DNA, có thể tồn tại ở dạng tự do, hoặc tích hợp vào trong DNA [chromosomal DNA]. Dù ở trạng thái nào, nó vẫn có vai trò như nhau. F-factor là một loại thuộc plasmid, nên còn có tên là F-plasmid. Trên F-plasmid, có hai vị trí [locus, Latin = place] gọi là tra và trab chứa khoảng 40 genes; trong đó tra locus có chứa gene pilin và một số gene điều khiển giúp tạo ra pilus cho vi khuẩn; và tạo ra một số genes khác cần thiết cho quá trình bacterial conjugation.
Khi F-factor ở dạng tích hợp, mỗi khi nó được truyền từ bacteria này sang bacteria khác, chromosomal DNA cũng sẽ được truyền theo. Tuy nhiên, tuỳ vào thời gian của cầu nối pilus mà một phần, hay toàn bộ chromosomal DNA có thể được truyền. Thời gian để truyền hết bộ chromosomal DNA của vi khuẩn là 100 phút. Và phần chromosomal DNA truyền đi sẽ kết hợp với chromosomal DNA của bacteria mới, thông qua quá trình gọi là recombination. Quá trình này xảy ra khá thường xuyên [high frequency] với vi khuẩn có integrated F-factor, cho nên vi khuẩn có integrated F-factor còn được gọi là Hfr [High frequency].
Bacteriophage
Nhà khoa học Alfred Hershey, lại nghiên cứu di truyền trên virus mà chỉ nhằm tấn công và lây nhiễm vi khuẩn. Các virus này đưọc gọi là bacteriophage, hay phage. Mục đích của việc lây nhiễm là phage dùng bộ máy của vi khuẩn để giúp nó sinh sản. Phage có một lớp vỏ bọc bằng protein và chứa bên trong là thông tin di truyền [DNA]. Phage muốn sinh sản phải dựa vào cơ chế sinh sản của vi khuẩn. Phage dùng các chân của mình để bám vào vi khuẩn; sau đó, DNA của phage sẽ được đưa vào vật chủ vi khuẩn và sử dụng các enzyme của vi khuẩn để nhân đôi DNA của phage. Khi số lượng phage bên trong vật chủ đủ lớn, nó sẽ phá vỡ vật chủ vi khuẩn để thoát ra ngoài.
Để kiểm tra phage đưa DNA của nó vào bacteria, hay cụ thể DNA là nơi lưu trữ thông tin di truyền, Hershley và Martha Chase đã tiến hành thí nghiệm. Từ thực nghiệm, DNA có hàm lượng nguyên tố phospho [P] cao; trong khi protein có hàm lượng nguyên tố lưu huỳnh [sulfur – S] cao. Vì thế, họ đã dùng các nguyên tố đánh dấu phóng xạ [P32 và S35] – radioactive label [hay radioactive tracer] – để đánh nhãn protein và DNA của phage. Các đánh nhãn đồng vị phóng xạ giúp phát hiện vị trị của các phân tử mà nó liên kết vào. Từ đó, có thể biết là thành phần nào lây nhiễm vào trong vi khuẩn. Cụ thể, họ cho 2 mẫu vi khuẩn để thí nghiệm song song, mỗi mẫu cho một loại đồng vị vào. Sau khi cho phage vào mỗi mẫu và đợi cho phage bám vào bacteria đủ lâu, họ dùng máy ly tâm lắc nhằm phân tách vi khuẩn và phage. Vì vi khuẩn nặng hơn, nó sẽ lắng xuống đáy, còn phage ở trên.
Phage và Bacteria sau khi phân li, tại mỗi mẫu
Xem xét với ống nghiệm có S35, Hershley thấy S35 nằm chung với phage, bên trong vi khuẩn không có S35. Vì thế, protein, không được dùng bên trong vi khuẩn để tạo ra các bản sao con của phage. Khi xem xét với mẫu còn lại, P32 nằm cả với bacteria và phage mới tạo ra. Vì thế, có thể kết luận phage DNA đã xâm nhập vào vi khuẩn; phage DNA chứa mọi thông tin giúp vi khuẩn bị lây nhiễm có thể tạo ra phage mới. Một lần nữa, [phage] DNA lại được chứng thực là chứa thông tin di truyền, chứ không phải là protein.
E.Coli bị vây quanh bởi T4 bacteriophage
TERM:
- cell [Latin, cella = “a small room”]: tế bào, thuật ngữ được đặt bởi Robert Hooke
- eukaryote [eu=true, karyon=nucleus]: cell with true nucleus
- prokaryote [pro=pre, ….]: cell without a nucleus
- nucleus: nhân tế bào, được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà thực vật học Robert Brown [1773-1858], và cũng là người đặt tên thuật ngữ.
- plasmid [hay còn gọi là vectors – thuật ngữ trong kĩ thuật di truyền]: là một phân tử extra-chromosomal DNA, tồn tại tách biệt với chromosomal DNA. Thông thường nó là hình tròn, và chuỗi kép [double strand]. Plasmid, trong tự nhiên, thường chỉ thấy trong vi khuẩn. Kích thước nó dao động khá lớn [1-1000kpb]. Mỗi cell [bacteria] có thể có một hay nhiều loại plasmid, số lượng mỗi loại cũng dao động nhiều. Thuật ngữ do Joshua Lederberg đặt [1952].
- F factor [fertility factor – nhân tổ sinh sản, hay F-plasmid, sex factor]: là nhân tố quyết định khả năng tạo thành sex pilus, đóng vai trò thiết yếu cho conjugation. Nó thực ra là một đoạn DNA có thể tồn tại độc lập trong cytoplasm của vi khuẩn hoặc kết hợp với DNA của vi khuẩn thông qua cơ chế recombination [sẽ đề cập ở 1 bài riêng].
- DNA của vi khuẩn sau khi có thêm F+ factor gọi là recombined DNA.
- [sex] pilus [Latin, “hair”, pl. pili]: kích thước 6-7nm, là phần đối có dạng như sợi tóc gắn với bề mặt một số vi khuẩn. Nó xác định tính đực [+] của vi khuẩn. Chỉ những vi khuẩn có F-factor [hay F-plasmid, fertility factor] mới có pilus
- [bacterial] conjugation: là quá trình sinh sản hữu tính của vi khuẩn, cụ thể là quá trình trao đổi thông tin di truyền qua cầu nối pilus.
SUMMARY:
Vi khuẩn cũng có DNA, nguyên liệu di truyền. Phage sinh sản bằng cách lây nhiễm vào host bacteria. Bacteria có thể sinh sản vô tính hay hữu tính, tuỳ vào cá thể có chứa F-plasmid hay không.
Tham khảo:
- //www.biology.arizona.edu/Cell_BIO/tutorials/pev/main.html
- //www.nature.com/ncb/journal/v1/n1/full/ncb0599_E13.html
- //www.bio.miami.edu/~cmallery/150/unity/cell.text.htm
- //www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15522508 [Multicellular life cycle of magnetotactic prokaryotes.]
- //www.hhmi.org/biointeractive/animations/conjugation/conj_text3.htm [xem Demo về conjugation]
- //www.lanesville.k12.in.us/LCSYellowpages/Tickit/Carl/bacteria.html