Tối ưu hóa quy tình chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phương pháp tiếp hợp ba thành phần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỐI ƢU QUY TRÌNH CHUYỂN GENE gfp VÀO VI KHUẨN Pseudomonas fluorescens BẰNG PHƢƠNG PHÁP TIẾP HỢP BA THÀNH PHẦN Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Niên khóa: 2003 – 2007 Sinh viên thực hiện: TRẦN NGUYỄN THÚY AN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 09/2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỐI ƢU QUY TRÌNH CHUYỂN GENE gfp VÀO VI KHUẨN Pseudomonas fluorescens BẰNG PHƢƠNG PHÁP TIẾP HỢP BA THÀNH PHẦN Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện TS. LÊ ĐÌNH ĐÔN TRẦN NGUYỄN THÚY AN Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 09 / 2007 iii LỜI CẢM ƠN Thành kính ghi ơn ông bà, cha mẹ đã nuôi nấng, dạy bảo con trƣởng thành nhƣ ngày hôm nay, cùng những ngƣời thân trong gia đình luôn tạo mọi điều kiện và động viên con trong suốt quá trình học tập tại trƣờng. Tôi xin chân thành cám ơn: Ban giám hiệu Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh. Ban chủ nhiệm cùng thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học đã truyền đạt mọi kiến thức, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập ở trƣờng. Thầy Lê Đình Đôn đã tận tình hƣớng dẫn và động viên tôi trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Thầy Zhang Liqun ở Đại Học Nông Nghiệp Trung Quốc đã cung cấp mẫu vi khuẩn E.coli DH5α (λ-pir) chứa plasmid pUT-gfp, vi khuẩn E.coli DH5α (λ-pir) chứa plasmid pRK600 và các tài liệu phục vụ cho thí nghiệm. Ban giám đốc cùng các anh chị trực thuộc Trung Tâm Phân Tích – Thí Nghiệm Hóa Sinh Trƣờng Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã hƣớng dẫn và chia sẻ cùng tôi những khó khăn trong thời gian thực hiện khóa luận. Anh Nguyễn Văn Lẫm đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tất cả các anh chị thuộc Bộ Môn Bảo Vệ Thực Vật Khoa Nông Học đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Các bạn bè lớp Công Nghệ Sinh Học 29 đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt những năm học cũng nhƣ thời gian thực hiện khóa luận. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2007 Sinh viên Trần Nguyễn Thúy An iv TÓM TẮT Đề tài “Tối ƣu quy trình chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần” do Trần Nguyễn Thúy An, Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Địa điểm: trƣờng Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 03/2007 đến tháng 08/2007. Pseudomonas fluorescens là tác nhân kiểm soát sinh học đƣợc nghiên cứu nhiều nhất do chúng có khả năng kháng nấm mạnh và có phổ kí chủ rộng. Việc phát triển các phƣơng pháp nhạy để quan sát những tế bào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens trong biofilm hay trên rễ cây trồng đóng vai trò quan trọng khi muốn nghiên cứu những hệ thống này. Đáp ứng nhu cầu đó, gần đây những marker phân tử mới đã đƣợc phát triển nhƣ những phƣơng pháp chuyên biệt để đánh dấu sự phân bố, quần thể và hoạt tính chuyển hóa của các vi sinh vật mục tiêu trong môi trƣờng. Trong số những marker này, green fluorescent protein (GFP) từ loài sứa Aequorea victoria đã đƣợc chứng tỏ là công cụ hữu hiệu nhất. Những dòng Pseudomonas fluorescens đƣợc đánh dấu bởi marker GFP có thể dễ dàng quan sát và phát hiện qua kính hiển vi phát huỳnh quang mà không cần phải phá hủy cấu trúc và cũng không cần thêm vào các cơ chất ngoại sinh. Nội dung nghiên cứu 1. Chọn lọc dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens có đặc tính đối kháng mạnh với nấm, phát sáng mạnh trên môi trƣờng KB và có khả năng kháng kháng sinh thích hợp cho mục đích nghiên cứu. 2. Khảo sát các điều kiện tối ƣu để chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần. 3. Thực hiện PCR để kiểm tra sự hiện diện của gene gfp trong vi khuẩn Pseudomonas fluorescens sau khi tiếp hợp. Kết quả đạt đƣợc Chọn đƣợc dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens thích hợp cho mục đích nghiên cứu. Đạt đƣợc quy trình tối ƣu để chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần. v SUMMARY Tran Nguyen Thuy An, Nong Lam university, Ho Chi Minh city, “Establishing an optimal protocol to transfer gfp gene into Pseudomonas fluorescens by triparental mating”. This subject was conducted at Nong Lam University from March to August in 2007. Pseudomonas fluorescens is the most extensively studied biocontrol-agent because of their strongly antifungal ability and their broad host range. The development of sensitive methods for observing Pseudomonas fluorescens cells in a population in biofilms or in plant roots is of great importance for studying these systems. In response to this problem, novel molecular markers have been developed recently as specific methods for tracing the distribution, population and metabolic activity of target microorganisms in a certain environment. Among them, the green fluorescent protein (GFP) of the jellyfish Aequorea victoria has proved to be the most powerful tool. The GFP-marked Pseudomonas fluorescens strain can be conveniently observed by using fluorescence microscopy to study their behaviour. Researching contents are 1. Selecting the Pseudomonas fluorescens strains which have strongly antifungal ability, appropriate antibiotic resistance and fluoresce under short wave length ultraviolet light. 2. Researching the optimal conditions to transfer gfp gene into Pseudomonas fluorescens by triparental mating. 3. Performing PCR to confirm the gfp gene in Pseudomonas fluorescens after conjugation. Obtaining results The appropriate Pseudomonas fluorescens strains have been selected. The optimal protocol to transfer gfp gene into Pseudomonas fluorescens by triparental mating has been obtained. vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT aa acid amin bp base pair DNA Deoxyribonucleic acid 2,4 – DAPG: 2,4 – Diacetylphloroglucinol ETDA Ethylenediamine tetraacetic acid F Fertility GFP Green Fluorescent Protein Hfr High frequency recombinance IS Insert sequence kb Kilo base kDa Kilo dalton MCS Multi cloning site Nm Nano metre PCR Polymerase Chain Reaction RBS Ribosome binding site RNA Ribonucleic acid SDS Sodium dodecyl sulfate TAE Tris Acetate EDTA Tn Tranposon UV Ultraviolet (light) w/v Weight for volume KB King’s B NST Nhiễm sắc thể TGE Transposable genetic element dNTP deoxyribonucleotide_5_triphosphate LB Luria – Bertain vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Cơ chế lai giữa F+ và F- ......................................................................................... 7 Hình 2.2 Sự hình thành thể Hfr từ thể F+ ............................................................................ 8 Hình 2.3 Cơ chế lai giữa Hfr và F- ...................................................................................... 8 Hình 2.4 Cơ chế hình thành thể F’ từ thể Hfr .................................................................... 8 Hình 2.5 Cơ chế lai giữa F’và F- .......................................................................................... 9 Hình 2.6 Cấu trúc một trình tự chèn .................................................................................. 11 Hình 2.7 Cấu trúc transposon ............................................................................................. 12 Hình 2.8 Cơ chế phƣơng pháp tiếp hợp 3 thành phần .................................................... 15 Hình 2.9 Cơ chế hoạt động của thiết bị electroporation ................................................. 17 Hình 2.10 Quy trình biến nạp bằng phƣơng pháp CaCl2 ................................................ 18 Hình 2.11 Cấu trúc protein GFP ........................................................................................ 24 Hình 3.1 Cấu trúc plasmid pUT-gfp ......................................................................... 29 Hình 4.1 Khuẩn lạc Pseudomonas fluorescens trên môi trƣờng KB ............................ 36 Hình 4.2 Khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 ....................................................... 38 Hình 4.3 Khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 ....................................................... 39 Hình 4.4 Khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 ....................................................... 40 Hình 4.5 Đối chứng trên môi trƣờng M9 .......................................................................... 41 Hình 4.6 Kết quả đối chứng ............................................................................................... 45 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1 Đặc tính và nguồn gốc một số dòng vi khuẩn và plasmid liên quan trong thí nghiệm ........................................................................................................ 30 Bảng 4.1 Kết quả kiểm tra tính kháng với kháng sinh kanamycin của một số dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens ................................................................. 34 Bảng 4.2 Kết quả kiểm tra tính kháng với kháng sinh chloramphenicol của một số dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens ...................................................... 35 Bảng 4.3 Nguồn gốc các dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens thích hợp làm đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................. 36 Bảng 4.4 Kết quả đếm số khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 thay đổi theo thời gian nuôi cấy tăng sinh vi khuẩn ............................................................... 37 Bảng 4.5 Kết quả đếm số khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 thay đổi theo tỉ lệ vi khuẩn ...................................................................................................... 38 Bảng 4.6 Kết quả đếm số khuẩn lạc hình thành trên môi trƣờng M9 thay đổi theo nhiệt độ ủ khi nuôi chung trên môi trƣờng KB ................................................. 40 ix MỤC LỤC Chƣơng 1 ............................................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1 1.2 Mục đích ....................................................................................................... 2 1.3 Yêu cầu ......................................................................................................... 3 Chƣơng 2 ............................................................................................................................... 4 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................................................... 4 2.1 Sự trao đổi thông tin di truyền ở vi khuẩn ................................................... 4 2.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 4 2.1.2 Những cơ chế chuyển gene ở vi khuẩn .......................................................... 4 2.1.2.1 Biến nạp (transformation) .......................................................................... 4 2.1.2.2 Tải nạp (transduction) ................................................................................ 5 2.1.2.3 Tiếp hợp (conjugation) .............................................................................. 7 2.1.3 Những yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị (transposable genetic element_TGE) .............................................................................................................. 10 2.1.3.1 Đặc tính của những yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị ................... 11 2.1.3.2 Các loại yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị ..................................... 11 2.2 Plasmid ....................................................................................................... 13 2.3 Các phƣơng pháp thƣờng dùng để chuyển DNA plasmid ......................... 15 2.3.1 Phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần (triparental mating) .......................... 15 2.3.2 Phƣơng pháp điện biến nạp .......................................................................... 16 2.3.2.1 Phƣơng pháp ............................................................................................ 16 2.3.3 Phƣơng pháp Calcium chloride.................................................................... 18 2.5 Phòng trừ sinh học bệnh cây và tác nhân phòng trừ sinh học .................... 19 2.5.1 Vi khuẩn Pseudomonas fluorescens ............................................................ 20 2.5.1.1 Phân loại vi khuẩn Pseudomonas fluorescens ......................................... 20 2.5.1.2 Các nghiên cứu về vi khuẩn Pseudomonas fluorescens .......................... 21 2.6 Protein GFP ................................................................................................ 24 2.6.1 Cấu trúc và đặc điểm ................................................................................... 24 2.6.2 Tình hình nghiên cứu về gene gfp ............................................................... 25 Chƣơng 3 ............................................................................................................................. 28 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 28 3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện ................................................................. 28 3.2 Vật liệu và hóa chất, dụng cụ thí nghiệm ................................................... 28 3.2.1 Vật liệu ......................................................................................................... 28 3.2.1.1 Vi khuẩn E.coli DH5α (λ-pir) chứa plasmid pUT-gfp ............................. 28 3.2.1.2 Vi khuẩn E.coli DH5α (λ-pir) chứa plasmid pRK600 ............................. 29 3.2.1.3 Vi khuẩn Pseudomonas fluorescens ........................................................ 29 3.2.2 Các loại môi trƣờng dùng trong nuôi cấy vi khuẩn ..................................... 31 3.2.3 Các loại dụng cụ, thiết bị dùng trong nghiên cứu ........................................ 31 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 31 Chƣơng 4 ............................................................................................................................. 34 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................................. 34 4.1 Kết quả ....................................................................................................... 34 4.1.1 Kết quả kiểm tra tính kháng kháng sinh của vi khuẩn ................................. 34 x 4.1.2 Kết quả kiểm tra khả năng phát sáng trên môi trƣờng KB .......................... 36 4.1.3 Kết quả khảo sát các điều kiện tối ƣu để chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần ........................ 37 4.1.3.1 Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian nuôi cấy tăng sinh vi khuẩn .............. 37 4.1.3.2 Khảo sát ảnh hƣởng của mật độ vi khuẩn ................................................ 38 4.1.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ khi nuôi chung trên môi trƣờng KB ... 39 4.1.3.4 Kết quả đối chứng .................................................................................... 40 4.2 Thảo luận .................................................................................................... 41 4.2.1 Các thông số tối ƣu cho quá trình tiếp hợp .................................................. 41 4.2.2 Cơ chế quá trình tiếp hợp ba thành phần ..................................................... 41 4.2.3 Môi trƣờng tối ƣu cho chọn lọc ................................................................... 43 4.2.4 Kết quả đối chứng ........................................................................................ 42 4.2.5 Quy trình tiếp hợp tối ƣu cho dòng vi khuẩn nhận Pseudomonas fluorescens 1.8 44 Chƣơng 5 ............................................................................................................................. 47 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................................. 47 5.1 Kết luận ...................................................................................................... 47 5.2 Đề nghị ....................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 48 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 51 1 Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Thuốc trừ sâu hóa học đƣợc sử dụng trong sản xuất nông nghiệp đem lại cho chúng ta năng suất cao và nhiều lợi ích kinh tế, tuy nhiên chúng cũng đem đến những vấn đề nhƣ ô nhiễm môi trƣờng và ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời. Do đó, nhu cầu ngày càng cao trong nông nghiệp là tìm ra phƣơng pháp bảo vệ cây trồng hòa hợp với hệ sinh thái tự nhiên. Kiểm soát sinh học là một sự lựa chọn thay thế có nhiều tiềm năng trong việc ngăn cản sự tàn phá do bệnh cây trồng mà không gây ô nhiễm. Kiểm soát sinh học liên quan đến việc sử dụng vi sinh vật để ức chế bệnh cây và tăng cƣờng sức khỏe cây trồng. Nó đặc biệt thích hợp để ngăn chặn những bệnh từ đất mà việc sử dụng thuốc trừ sâu tổng hợp hóa học cho đến nay vẫn chƣa đem lại hiệu quả. Kháng sinh đƣợc cho là một trong những cơ chế quan trọng nhất trong việc kiểm soát sinh học những bệnh từ đất. Nhiều loài vi khuẩn sử dụng trong những nghiên cứu kiểm soát sinh học là những loài có thể tạo ra kháng sinh. Agrobacterium tạo ra agrocin 84 và 434 có nguồn gốc từ nucleoside. Chủng Baccillus kiểm soát bệnh cây trồng tạo ra lipopeptide fengycin, một phức hợp aminopolyol zwittermycin A và kanosamine. Tác nhân kiểm soát sinh học Pseudomonas là đối tƣợng đƣợc nghiên cứu nhiều nhất về khả năng tạo ra kháng sinh. Chúng tạo ra một chuỗi những kháng sinh phenolic, nhƣ là 2,4- diacetylphloroglucinol (2,4-DAPG), pyoluteorin, pyrrolnitrin, và ít nhất 4 loại phenazine khác nhau. Bên cạnh đó, chúng có phổ kí chủ rộng, bao gồm cà chua, bí, cà rốt, và bắp cải. Những điều kiện trên đem đến cho chúng tiềm năng phát triển nhƣ một loại thuốc trừ sâu sinh học đối với nhiều loại cây trồng. Vì vậy, việc nghiên cứu xác định khả năng định cƣ của vi khuẩn Pseudomonas trên rễ cây trồng 2 rất quan trọng. Cần phát triển một phƣơng pháp hữu hiệu để quan sát những tế bào vi khuẩn riêng lẻ trong một tập đoàn vi khuẩn trong những mô hình thí nghiệm và môi trƣờng tự nhiên nhƣ trong biofilm hay trên rễ cây trồng khi muốn nghiên cứu những hệ thống này. Protein green fluorescent (gfp) từ loài sứa Aequorea victoria đã đƣợc chứng minh là có giá trị trong nhiều nghiên cứu sinh học khác nhau. Theo Bloemberg và ctv (1997) gfp mang lại khả năng nghiên cứu nghiên cứu tế bào mà không phải phá hủy cấu trúc và cũng không cần thêm vào các cơ chất ngoại sinh. Thêm vào đó, những tế bào đƣợc đánh dấu gfp có thể quan sát bằng kính hiển vi có gắn bộ lọc huỳnh quang thông thƣờng nếu đƣợc kích thích ở bƣớc sóng thích hợp, đáp ứng đầy đủ tính chất cho một hệ thống “marker gene”, “reporter gene” nhằm kiểm soát khả năng định cƣ của vi khuẩn đối kháng trên đất hay cây trồng. Để đánh dấu vi khuẩn Pseudomonas fluorescens với marker GFP chúng ta có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp, trong đó tiếp hợp ba thành phần là một trong những phƣơng pháp đơn giản, dễ thực hiện và có chi phí thấp. Xuất phát từ những vấn đề trên chúng tôi thực hiện đề tài “Tối ƣu quy trình chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần”. Đề tài này tiếp tục từ nghiên cứu “Chuyển gene gfp (Green Fluorescent Protein) vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần” do Đỗ Thị Ngọc Hân, trƣờng Đại học Nông Lâm thực hiện, và nghiên cứu “Xây dựng quy trình biến nạp đoạn DNA vào tế bào vi khuẩn E. coli DH5α” do Phạm Duy và Huỳnh Văn Thái, Đại học Nông Lâm thực hiện. 1.2 Mục đích 1- Chọn lọc dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens có đặc tính đối kháng mạnh với nấm, phát sáng mạnh trên môi trƣờng KB và có khả năng kháng kháng sinh thích hợp cho mục đích thí nghiệm. 3 2- Khảo sát các điều kiện tối ƣu để chuyển gene gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần. 1.3 Yêu cầu Chọn lọc đƣợc dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens có đặc tính đối kháng mạnh với nấm, phát sáng mạnh trên môi trƣờng KB và có khả năng kháng kháng sinh thích hợp cho mục đích thí nghiệm. Xây dựng đƣợc quy trình tiếp hợp plasmid pUT-gfp vào vi khuẩn Pseudomonas fluorescens bằng phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần tối ƣu cho dòng vi khuẩn nhận. Thực hiện PCR để kiểm tra sự hiện diện của gene gfp trong vi khuẩn Pseudomonas fluorescens sau khi tiếp hợp. 4 Chƣơng 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Sự trao đổi thông tin di truyền ở vi khuẩn 2.1.1 Giới thiệu Trong các quần thể vi khuẩn, đột biến liên tục xảy ra do các lỗi trong quá trình sao chép. Nếu có sự chọn lọc thuận lợi cho một đột biến cụ thể nào đó (ví dụ nhƣ tính kháng kháng sinh), thể đột biến đó sẽ nhanh chóng trở thành thành phần chính trong quần thể nhờ vào tốc độ tăng trƣởng nhanh chóng. Thêm vào đó,vì vi khuẩn là những sinh vật đơn bội nên ngay cả những đột biến lặn cũng sẽ đƣợc biểu hiện. Do đó, những đột biến trong quần thể vi khuẩn có thể gây ra vấn đề trong việc chữa trị các bệnh nhiễm khuẩn. Mặt khác, vi khuẩn có những cơ chế chuyển gene sang vi khuẩn khác nên 1 đột biến xảy ra trong 1 tế bào có thể lan truyền sang các tế bào khác. Chuyển gene ở vi khuẩn chỉ đi theo một hƣớng duy nhất là từ tế bào vi khuẩn cho sang tế bào vi khuẩn nhận. Thể cho thƣờng chỉ truyền đi một phần nhỏ DNA của chúng nên không tạo thành các hợp tử hoàn chỉnh mà chỉ tạo thành các hợp tử không hoàn chỉnh. Các gene của vi khuẩn thƣờng chỉ truyền trong cùng loài nhƣng thỉnh thoảng sự chuyển gene tới các loài khác cũng có thể xảy ra. 2.1.2 Những cơ chế chuyển gene ở vi khuẩn 2.1.2.1 Biến nạp (transformation) Biến nạp là phƣơng pháp chuyển gene nhờ sự thu nhận các DNA tự do trong môi trƣờng xung quanh của thể nhận, các DNA này có nguồn gốc từ thể cho. Các yếu tố ảnh hƣởng đến biến nạp 5 Kích thƣớc DNA: DNA mạch đôi có trọng lƣợng ít nhất 5x105 dalton cho kết quả biến nạp tốt nhất (Mayer, 2007). Do đó, biến nạp dễ bị ảnh hƣởng bởi các nuclease có trong môi trƣờng. Tính khả nạp của thể nhận: một số vi khuẩn có thể hấp thụ DNA một cách tự nhiên. Tuy nhiên, chúng chỉ có thể thực hiện điều đó vào một thời kì cụ thể trong chu kì sinh trƣởng khi chúng tạo ra một loại protein đặc biệt gọi là yếu tố khả biến. Ở giai đoạn này, vi khuẩn đƣợc gọi là khả nạp. Những loài vi khuẩn khác thì không thể thu nhận DNA một cách tự nhiên nhƣng ta có thể tạo ra tính khả nạp in vitro bằng cách xử lý với hóa chất (ví dụ nhƣ CaCl2). Các giai đoạn trong biến nạp 1. Thu nhận DNA: sự hấp thu DNA ở vi khuẩn G- và G+ khác nhau. Vi khuẩn G+ thu nhận DNA dƣới dạng mạch đơn còn mạch bổ sung đƣợc tạo thành trong thể nhận. Trái lại, vi khuẩn G- thu nhận DNA mạch đôi. 2. Tái tổ hợp tƣơng đồng: sau khi DNA từ thể cho đƣợc thu nhận, xuất hiện một sự tái tổ hợp qua lại giữa NST và DNA từ thể cho. Sự tái tổ hợp này đòi hỏi tính tƣơng hợp và gây ra sự thay thế DNA giữa thể cho và thể nhận. 3. Sự tái tổ hợp đòi hỏi các gene điều khiển tái tổ hợp ở vi khuẩn (recA, B, và C) và tính tƣơng đồng giữa các DNA liên quan. Kiểu tái tổ hợp này gọi là tái tổ hợp chung hay tái tổ hợp tƣơng đồng. Vì đòi hỏi sự tƣơng đồng, chỉ DNA từ các loài vi khuẩn có mối liên quan gần mới có nhiều khả năng biến nạp thành công. Tuy nhiên, cũng có những trƣờng hợp hiếm chuyển gene xảy ra giữa những loài vi khuẩn ít liên quan. Về tầm quan trọng, biến nạp xảy ra trong tự nhiên có thể dẫn đến sự gia tăng độc tính. Ngoài ra, biến nạp còn đƣợc sử dụng trong công nghệ DNA tái tổ hợp. 2.1.2.2 Tải nạp (transduction) Tải nạp là quá trình chuyển thông tin di truyền từ thể cho sang thể nhận nhờ 1 bacteriophage (hay phage). 6 Lớp vỏ của phage có thể bảo vệ DNA không bị ảnh hƣởng bởi các nuclease trong môi trƣờng. Hầu hết các trƣờng hợp chuyển gene bằng con đƣờng tải nạp xảy ra trong cùng loài. Tuy nhiên, đối với phage có phổ kí chủ rộng thì chuyển gene cũng có thể xảy ra giữa các loài. Khả năng tải nạp của phage liên quan đến vòng đời của chúng. Thông thƣờng ngƣời ta chia tải nạp thành hai loại là tải nạp phổ biến và tải nạp đặc hiệu. Tải nạp phổ biến là quá trình tải nạp mà bất kì gene nào của vi khuẩn cho cũng có tiềm năng đƣợc chuyển qua vi khuẩn nhận. Phage làm trung gian tải nạp phổ biến sẽ làm gãy DNA tế bào chủ thành những mảnh nhỏ. Trong quá trình chúng gói DNA vào các hạt phage nhờ cơ chế “headfull”, thỉnh thoảng một số mảnh của DNA tế bào chủ cũng đƣợc gói ngẫu nhiên vào lớp vỏ của phage. Do đó, bất kì gene nào từ thể cho cũng có khả năng đƣợc chuyển đi miễn là kích thƣớc của chúng vừa với phần đầu của phage. Khi phage có chứa DNA của thể cho xâm nhiễm vào thể nhận, DNA thể cho sẽ xâm nhập vào thể nhận và xảy ra sự tái tổ hợp tƣơng đồng thay thế DNA giữa thể cho và thể nhận. Tải nạp đặc hiệu: là quá trình tải nạp mà chỉ có những gene nhất định nào đó từ thể cho có thể chuyển sang thể nhận. Những phage khác nhau có thể chuyển những gene khác nhau nhƣng 1 phage cụ thể nào đó chỉ chuyển đƣợc những gene nhất định nào đó. Tải nạp đặc hiệu có trung gian là phage tiềm tan hay phage ôn hòa, gene nào đƣợc chuyển phụ thuộc vào vị trí mà prophage chèn vào NST. Trong quá trình tách ra của prophage, thỉnh thoảng xảy ra lỗi làm một số DNA của tế bào chủ cũng đƣợc tách ra cùng với DNA phage. Chỉ có những DNA của tế bào chủ ở 2 phía nơi prophage chèn vào mới có thể đƣợc chuyển. Sau khi nhân lên và đƣợc phóng thích, các phage xâm nhiễm vào thể nhận. Sự tiềm tan hóa xảy ra giúp các gene từ thể cho đƣợc chuyển ổn định.Thể nhận lúc này có hai bản sao của gene đƣợc chuyển. Cũng có thể xảy ra sự tái tổ hợp tƣơng đồng giữa các gene của thể cho và thể nhận. Về tầm quan trọng, sự biến đổi tiềm tan (phage) xuất hiện trong tự nhiên là nguồn tạo ra các chủng vi khuẩn độc. 7 F + F - F + F - F + F + F + F + Hình 2.1: Cơ chế lai giữa F+ và F- (Mayer, 2007). 2.1.2.3 Tiếp hợp (conjugation) Tiếp hợp là quá trình chuyển DNA từ thể cho sang thể nhận qua sự tiếp xúc trực tiếp giữa các tế bào. Ở vi khuẩn có 2 kiểu giới tính là thể cho (male) và thể nhận (female). Sự truyền vật chất di truyền chỉ đi theo một con đƣờng là từ thể cho sang thể nhận. Các kiểu giới tính ở vi khuẩn Thể cho: vi khuẩn có khả năng của 1 thể cho nếu trong tế bào có sự hiện diện của yếu tố giới tính F. Yếu tố F là 1 đoạn DNA dạng vòng có khả năng tự sao chép trong tế bào, chúng là 1 đơn vị sao chép độc lập còn đƣợc gọi chung là plasmid. Yếu tố F có những gene cần thiết cho sự tự sao chép và khả năng truyền DNA của chúng cho thể nhận. Yếu tố F còn mã hóa cho khả năng tạo pili giới tính trên bề mặt vi khuẩn. Các pili này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiếp hợp. Thể nhận: vi khuẩn là 1 thể nhận khi chúng không có yếu tố F. Các trạng thái tồn tại của yếu tố F (i) F + : vi khuẩn đƣợc gọi là F+ khi chúng có chứa yếu tố F, mà yếu tố F trong trƣờng hợp này chỉ chứa các gene cần thiết cho sự tự sao và chuyển DNA, không có gene nào của NST đƣợc kết hợp vào. 8 F + Hfr Hình 2.2: Sự hình thành thể Hfr từ thể F+ (Mayer, 2007). Hfr F - Hfr F - Hfr F - Hfr F - Hình 2.3: Cơ chế lai giữa Hfr và F- (Mayer, 2007). Hfr F’ Hình 2.4: Cơ chế hình thành thể F’ từ thể Hfr (Mayer, 2007). Khi lai F + với F-, F- sẽ trở thành F+ trong khi F+ vẫn là F+. Do đó, yếu tố F có khả năng lan truyền. Mức độ chuyển gene NST trong trƣờng hợp này rất thấp. (ii) Hfr (high frequency recombinance): vi khuẩn đƣợc gọi là 1 thể Hfr khi chúng có yếu tố F kết hợp vào NST nhờ sự tái tổ hợp. Khi lai Hfr với F-, F - hiếm khi trở thành Hfr còn Hfr vẫn là Hfr. Mức độ chuyển các gene của thể cho trong trƣờng hợp này khá cao. (iii) F’: trong trƣờng hợp này yếu tố F độc lập với NST của tế bào chủ nhƣng chúng có mang một số gene của tế bào chủ. F’ tạo thành khi tách yếu tố F ra khỏi NST trong 1 thể Hfr. Thỉnh thoảng khi yếu tố F đƣợc 9 tách ra, các gene ở 2 bên có thể đƣợc tách ra theo tạo thành thể F’. Khi lai F’ với F-, F- sẽ trở thành F’ còn F’ vẫn là F’. Mức độ chuyển gene cao với các gene của NST nằm trên F’ và thấp với các gene vẫn nằm trong NST thể cho. Về tầm quan trọng, đối với vi khuẩn G- đây là con đƣờng chính để chuyển gene. Chuyển gene có thể xảy ra giữa các loài vi khuẩn khác nhau. Việc truyền tính kháng nhiều loại kháng sinh bằng con đƣờng tiếp hợp hiện là vấn đề lớn trong việc chữa trị các bệnh cho vi khuẩn. Vì thể nhận sẽ trở thành thể cho sau khi nhận plasmid nên có thể dễ dàng hiểu đƣợc tại sao 1 gene kháng kháng sinh chứa trên plasmid có thể nhanh chóng chuyển 1 quần thể nhạy thành 1 quần thể kháng với kháng sinh đó. Vi khuẩn G+ cũng có những plasmid chứa các gene kháng với nhiều loại kháng sinh, các gene này có thể đƣợc chuyển đi bằng con đƣờng tiếp hợp hay tải nạp. Theo Mayer (2007), cơ chế tiếp hợp ở vi khuẩn G+ hơi khác với vi khuẩn G- đó là thể cho sẽ tạo 1 chất dính gây ra sự kết hợp với thể nhận và chuyển DNA. Cameron (2007) cho rằng tiếp hợp là một phƣơng pháp rất hiệu quả để đƣa DNA vào thể nhận. Nó có thuận lợi là DNA đƣa vào ở dạng mạch đơn nên dễ dàng hơn cho việc tái tổ hợp tƣơng đồng so với DNA đƣa vào ở dạng mạch kép (biến nạp F’ F’ F’ F’ F’ F- F’ F- Hình 2.5: Cơ chế lai giữa F’ và F- (Mayer, 2007). 10 và điện biến nạp). Tiếp hợp cũng là con đƣờng thƣờng đƣợc sử dụng để đƣa DNA từ E.coli vào vi khuẩn vùng rễ. Cơ chế quá trình tiếp hợp Việc truyền yếu tố F từ một vi khuẩn F+ sang một vi khuẩn F- đòi hỏi một sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế bào. Khi nuôi chung với vi khuẩn F- các vi khuẩn F+ sẽ có phản ứng của giới tính đực kéo dài pili sinh dục của mình và bám vào một thụ thể của tế bào vi khuẩn nhận, sau đó pili co lại để kéo tế bào nhận lại gần. Giai đoạn tiếp theo vi khuẩn cho tiết ra enzyme làm tan vách tế bào của vi khuẩn nhận và truyền DNA của mình vào. Hiện tƣợng tái tổ hợp sẽ diễn ra sau đó. Quá trình truyền vật chất di truyền từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận xảy ra theo các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: sự tiếp xúc ngẫu nhiên xuất hiện vài phút sau khi trộn vi khuẩn với nhau. Xác suất của sự tiếp xúc phụ thuộc vào nồng độ của hai nòi vi khuẩn. Giai đoạn 2: là sự bắt cặp giữa tế bào nhận và tế bào cho. Tế bào nhận đóng vai trò thụ động, màng tế bào của nó bị hòa tan tại chổ tiếp xúc với pili sinh dục của vi khuẩn đực, tạo thành những cầu nguyên sinh chất có đƣờng kính từ 10 – 30 µm. Quá trình này phụ thuộc vào pH, điều kiện dinh dƣỡng trong môi trƣờng. Giai đoạn 3: các DNA của tế bào cho chuyển sang tế bào nhận theo cấu trúc thẳng. Số lƣợng gene chuyển sang phụ thuộc vào thời gian tiếp hợp. Giai đoạn 4: là quá trình tái tổ hợp giữa nhiễm sắc thể của thể nhận và đoạn vật chất di truyền của thể cho, quá trình này đòi hỏi tính tƣơng đồng. Cuối cùng là sự tái tạo nhiễm sắc thể trong những thế hệ sau, thể lai đƣợc hình thành. 2.1.3 Những yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị (transposable genetic element_TGE) Những yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị (TGE) là những đoạn DNA có khả năng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. 11 Transposase ABCDEFG GFEDCBA Hình 2.6: Cấu trúc một trình tự chèn (Mayer, 2007). 2.1.3.1 Đặc tính của những yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị (i) Di chuyển ngẫu nhiên, TGE có thể di chuyển từ bất kì phân tử DNA nào đến bất kì phân tử DNA nào khác, thậm chí đến 1 vị trí khác trên cùng 1 phân tử. Thực ra, sự di chuyển này không hoàn toàn là ngẫu nhiên, cũng có những vị trí trên phân tử DNA mà TGE sẽ ƣu tiên chèn vào. (ii) Chúng không có khả năng tự sao chép: các TGE không có cơ chế tự sao chép (ngoại trừ một số phage có khả năng chuyển vị), do đó, để nhân lên chúng phải kết hợp với các đơn vị sao chép khác. (iii) Sự chuyển vị đƣợc điều khiển bởi cơ chế tái tổ hợp tại vị trí đặc hiệu. Sự chuyển vị đòi hỏi ít hoặc không cần tính tƣơng đồng giữa các vị trí. Sự chuyển vị xảy ra nhờ 1 transposase mã hóa cho TGE. Và cuối cùng, sự chuyển vị có thể xảy ra đồng thời với sự nhân đôi. Trong nhiều trƣờng hợp, sự chuyển vị làm di chuyển TGE từ vị trí này tới vị trí khác. Tuy nhiên, cũng có những trƣờng hợp sự chuyển vị xảy ra đồng thời với sự nhân đôi của TGE, 1 bản sao vẫn ở lại vị trí cũ còn bản sao kia sẽ đƣợc chuyển đến vị trí mới. 2.1.3.2 Các loại yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị Các trình tự chèn (IS_insertion sequence) Các trình tự chèn là các TGE không chứa gene nào khác ngoài các gene cần thiết cho sự chuyển vị. Về cách đặt tên, các trình tự chèn đƣợc kí hiệu là IS, kèm theo 1 con số. Ví dụ IS1. Về cấu trúc, IS là 1 đoạn DNA thẳng, ở hai đầu có chứa các trình tự lặp lại, ở giữa có các gene liên quan đến sự chuyển vị và các trình tự kiểm soát sự biểu hiện gene, ngoài ra không có bất kì 1 gene không thiết yếu nào khác hiện diện. Tầm quan trọng của các trình tự chèn đƣợc thể hiện trong các lĩnh vực sau: Đột biến: đƣa 1 trình tự chèn vào 1 gene của vi khuẩn sẽ làm bất hoạt gene. 12 IS IS Resistance Gene(s) IS IS Resistance Gene(s) Hình 2.7: Cấu trúc transposon (Mayer, 2007). Chèn plasmid vào NST: các vị trí mà plasmid chèn vào NST vi khuẩn là ngay tại trình tự chèn trên NST hay gần đó . Sự biến đổi phase: kháng nguyên lông là một trong những kháng nguyên chính kích thích đáp ứng miễn dịch chống lại sự xâm nhiễm vi khuẩn. Salmonella có 2 gene mã hóa cho 2 loại kháng nguyên lông khác nhau. Sự biểu hiện của các gene này đƣợc điều hòa bởi 1 trình tự chèn. Điều hòa theo hƣớng này thì gene này biểu hiện, theo hƣớng kia thì gene kia biểu hiện. Do đó, Salmonella có thể thay đổi kháng nguyên lông của chúng để đáp ứng với sự tấn công của hệ thống miễn dịch. Sự biến đổi phase cũng xảy ra ở những kháng nguyên bề mặt khác của vi khuẩn. Transposons (Tn) Transposon là các yếu tố di truyền có khả năng chuyển vị có chứa 1 hay nhiều gene khác ngoài các gene cần thiết cho sự chuyển vị. Về cách đặt tên, transposon đƣợc kí hiệu là Tn kèm theo 1 con số. Ví dụ Tn5. Về cấu trúc, cấu trúc của 1 transposon tƣơng tự nhƣ 1 trình tự chèn. Các gene có thêm nằm ở giữa, 2 đầu là các trình tự lặp lại. Trong một số trƣờng hợp (các transposon ghép) các trình tự lặp lại ở hai đầu chính là các trình tự chèn. Tầm quan trọng: nhiều gene kháng kháng sinh nằm trên transposon. Vì transposon có thể nhảy từ phân tử DNA này tới phân tử DNA khác nên các transposon này là 1 yếu tố chính trong sự phát tán plasmid, đem đến tính kháng nhiều loại thuốc cho các vi khuẩn có chứa plasmid nhƣ vậy. Những plasmid kháng nhiều loại thuốc đang là 1 vấn đề y học lớn vì việc sử dụng bừa bãi thuốc kháng 13 sinh có thể đem đến 1 sự chọn lọc thuận lợi cho các loài vi khuẩn có chứa những plasmid này. Các transposon vi khuẩn phân biệt với nhau bằng mức độ hội nhập (intergration). Các phần tử Tn7, Tn9, IS4, IS5 có mức độ hội nhập cao. Các phần tử Tn10, IS1, IS2 có mức độ hội nhập trung bình. Các phần tử Tn2, Tn4, Tn5 và DNA phage Mu nói chung gắn vào các chỗ ngẫu nhiên của bộ gen. Tần số chuyển vị của các transposon vi khuẩn cũng biến đổi trong phạm vi rộng từ 10-7 – 10-4, ở các điều kiện khác nhau thì nó phụ thuộc vào độ dài của transposon. 2.2 Plasmid Plasmid là những phân tử DNA dạng vòng có khả năng sao chép và tồn tại độc lập trong tế bào vi khuẩn. Hầu hết plasmid có chứa 1 hoặc nhiều gene mà những gene này thƣờng không thiết yếu cho sự sống của tế bào chủ nhƣng quy định cho những đặc điểm hữu ích, ví dụ nhƣ khả năng kháng kháng sinh. Ngƣời ta thƣờng dựa vào khả năng kháng kháng sinh nhƣ một marker chọn lọc để chắc rằng vi khuẩn nuôi cấy có chứa một plasmid cụ thể nào đó (Brown, 1995). Tất cả plasmid đều có chứa ít nhất một trình tự DNA đóng vai trò nhƣ một điểm khởi đầu sao chép, cho phép plasmid nhân lên độc lập với nhiễm sắc thể của tế bào chủ. Về kích thƣớc, plasmid thay đổi từ nhỏ nhất là 1 kb đến lớn nhất là 250 kb, nhƣng chỉ những plasmid có kích thƣớc nhỏ hơn 10 kb mới thích hợp để sử dụng trong cloning. Về số bản sao, plasmid đƣợc chia thành nhóm plasmid có nhiều bản sao và nhóm có ít bản sao. Đối với plasmid có nhiều bản sao, có thể tìm thấy 20 đến 50 plasmid trong 1 tế bào. Loại plasmid này có 1 đặc điểm hữu ích là vẫn có thể nhân lên khi sự tổng hợp protein của tế bào ngừng lại. Đặc tính này đƣợc ứng dụng để tăng số lƣợng plasmid mà không cần tăng lƣợng tế bào chủ tạo thuận lợi cho quá trình ly trích plasmid. Khi canh khuẩn đạt đến nồng độ tế bào thích hợp, một tác nhân ức chế tổng hợp protein (ví dụ nhƣ chloramphenicol) đƣợc thêm vào, và canh khuẩn đƣợc ủ tiếp khoảng 12 tiếng nữa. Trong thời gian này, plasmid tiếp tục nhân 14 lên trong khi sự sao chép nhiễm sắc thể của tế bào chủ và sự phân chia tế bào bị khóa lại. Kết quả là số bản sao của plasmid có thể đạt đến hàng ngàn bản sao. Đối với plasmid có ít bản sao, sự sao chép xảy ra cùng lúc với sự sao chép nhiễm sắc thể vi khuẩn. Trong tế bào vi khuẩn có từ 1 – 3 bản sao plasmid nhƣ vậy. Kích thƣớc tối thiểu của nó 20 – 30 kb, còn tối đa thì lớn hơn một bậc. Khi ly trích plasmid có ít bản sao, muốn gia tăng lƣợng plasmid thì phải gia tăng lƣợng tế bào chủ. Plasmid đƣợc chia thành 2 nhóm: tiếp hợp và không tiếp hợp. Plasmid tiếp hợp có khả năng phát động sự tiếp hợp giới tính giữa các tế bào vi khuẩn, quá trình này dẫn đến kết quả là plasmid tiếp hợp đƣợc lan truyền từ 1 tế bào tới tất cả các tế bào khác trong canh khuẩn. Sự tiếp hợp và chuyển plasmid đƣợc kiểm soát bởi hệ thống chuyển hay các gene tra, mà chỉ có trong những plasmid tiếp hợp. Tuy nhiên, 1 plasmid không tiếp hợp, dƣới một số điều kiện thích hợp, có thể đƣợc truyền đi cùng với plasmid tiếp hợp khi cả hai cùng hiện diện trong 1 tế bào. Nhiều loại plasmid có thể đƣợc tìm thấy trong cùng 1 tế bào. Trên thực tế, những tế bào E.coli đƣợc biết là có thể chứa đến 7 loại plasmid khác nhau cùng lúc. Theo Mølbak (2003) để có thể cùng tồn tại trong 1 tế bào, những plasmid khác nhau phải liên kết với nhau. Nếu 2 plasmid không có khả năng liên kết với nhau thì khi đó 1 trong 2 sẽ nhanh chóng bị mất đi khỏi tế bào. Việc phân loại plasmid thông thƣờng dựa trên những đặc điểm chính đƣợc quy định bởi các gene của plasmid (Brown, 1995). Theo cách này, plasmid đƣợc chia thành 5 loại: (i) Fertility hay “F” plasmid: chỉ chứa các gene tra và không có đặc điểm gì ngoại trừ khả năng phát động sự truyền tiếp hợp của plasmid. Ví dụ nhƣ F plasmid của E.coli. (ii) Resistance hay “R” plasmid: có chứa những gene đem đến cho tế bào chủ tính kháng với 1 hoặc nhiều tác nhân kháng khuẩn, nhƣ là chloramphenicol, ampicillin và thủy ngân. R plasmid rất quan trọng trong vi sinh vật học lâm sàng bởi vì sự phát tán của chúng ra các quần thể tự nhiên có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng trong việc chữa trị các bệnh nhiễm vi khuẩn. Ví dụ: RP4, thông thƣờng tìm thấy ở Pseudomonas, nhƣng cũng có thể xuất hiện ở nhiều loài vi 15 Hình 2.8: Cơ chế phƣơng pháp tiếp hợp 3 thành phần (Cameron, 2007). khuẩn khác. (iii) Col plasmid: mã hóa cho các colicin_là những protein có thể gây độc cho vi khuẩn khác. Ví dụ: ColE1 ở E.coli. (iv) Degradative plasmid: cho phép tế bào chủ tổng hợp những phân tử đặc biệt nhƣ toluene và acid salicylic. Ví dụ: TOL ở Pseudomonas putida. Và cuối cùng là Virulence plasmid: đem đến đặc tính gây bệnh cho tế bào chủ. Ví dụ: Ti plasmid ở Agrobacterium tumefaciens, gây bƣớu ở cây 2 lá mầm. 2.3 Các phƣơng pháp thƣờng dùng để chuyển DNA plasmid 2.3.1 Phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần (triparental mating) Là phƣơng pháp chuyển gene từ thể cho sang thể nhận qua sự tiếp xúc trực tiếp giữa các tế bào và có sự trợ giúp của dòng vi khuẩn có plasmid hỗ trợ. 16 So với phƣơng pháp tiếp hợp thông thƣờng ở vi khuẩn thì phƣơng pháp tiếp hợp ba thành phần có thêm sự hiện diện của dòng vi khuẩn trợ giúp có chứa plasmid hỗ trợ. Vậy tại sao plasmid hỗ trợ lại cần thiết cho việc tiếp hợp? Theo Cameron (2007) hiệu quả chuyển gene sẽ tăng lên đáng kể khi có sự hiện diện của plasmid hỗ trợ vì nó có gene chuyển tra gene. Tra gene cung cấp nhiều chức năng tạo thuận lợi cho việc tiếp hợp nhƣ hình thành pili, duy trì sự tiếp xúc giữa các tế bào, làm duỗi DNA và làm đứt oriT (mob) để khởi đầu việc chuyển DNA mạch đơn vào thể nhận. Cameron (2007) còn cho rằng tiếp hợp ba thành phần là con đƣờng thƣờng đƣợc sử dụng để đƣa DNA từ E.coli vào vi khuẩn vùng rễ. 2.3.2 Phƣơng pháp điện biến nạp Điện biến nạp là một phƣơng pháp hóa học sử dụng để đƣa những phân tử phân cực vào tế bào chủ qua màng tế bào. Trong phƣơng pháp này, một xung điện lớn làm xáo trộn tạm thời lớp đôi phospholipid, cho phép những phân tử phân cực nhƣ DNA đi vào tế bào. Nhiều kỹ thuật nghiên cứu trong sinh học phân tử đòi hỏi các gene lạ hoặc vật liệu protein đƣợc chèn vào 1 tế bào chủ. Nhƣng thực hiện điều này không đơn giản vì lớp đôi phospholipid của màng nguyên sinh chất ngăn cản các phân tử phân cực nhƣ DNA và protein đi xuyên qua màng một cách tùy ý. Nhiều phƣơng pháp cho phép vƣợt qua rào cản này đã đƣợc nghiên cứu và phát triển. Điện biến nạp là một phƣơng pháp nhƣ vậy. Điện biến nạp lợi dụng những tƣơng tác ƣa nƣớc – kị nƣớc tƣơng đối yếu và khả năng tự liền lại của màng sau khi bị xáo trộn. Nhờ vậy, một shock điện áp nhanh có thể làm xáo trộn các vùng của màng một cách tạm thời, cho phép những phân tử phân cực đi qua, nhƣng sau đó màng có thể nhanh chóng đóng lại, tế bào vẫn còn nguyên vẹn. 2.3.2.1 Phƣơng pháp Trộn tế bào chủ và các phân tử muốn chèn vào trong dung dịch, cơ chế hoạt động của thiết bị điện biến nạp đƣợc trình bày dƣới dạng sơ đồ sau đây: 17 Khi công tắc đầu tiên đóng lại, tụ điện nạp điện và giữ một điện áp cao. Khi công tắc thứ hai đóng lại, điện áp này phóng điện qua dịch huyền phù tế bào. Điển hình nhƣ, cần một xung điện từ 10000 đến 100000 V/cm (thay đổi theo kích thƣớc tế bào) kéo dài từ một vài phần triệu giây tới một phần nghìn giây để thực hiện điện biến nạp. Xung điện này xáo trộn lớp đôi phospholipid của màng và hình thành nhiều lỗ trong một thời gian ngắn. Điện thế qua màng tế bào đồng thời tăng lên khoảng 0.5 - 1.0 V để những phân tử đƣợc tích điện (nhƣ DNA) băng qua màng qua các lỗ theo cách thức tƣơng tự nhƣ điện di. Khi các ion và phân tử tích điện chui qua lỗ, màng tế bào trung hòa điện tích, các lỗ nhanh chóng đóng lại, và lớp đôi phospholipid liền lại. Những phân tử mong muốn lúc này ở bên trong tế bào và có thể sử dụng cho những nghiên cứu tiếp theo. Theo Smith (1989) điện biến nạp là phƣơng pháp rất phổ biến và có hiệu quả cao trong việc chuyển các phân tử DNA mục tiêu vào tế bào vi khuẩn. Hình 2.9: Cơ chế hoạt động của thiết bị điện biến nạp. 18 2.3.3 Phƣơng pháp Calcium chloride Phƣơng pháp này đƣợc phát triển từ hơn 30 năm qua và tạo ra các tế bào khả nạp có hiệu quả biến nạp từ 5.106 đến 2.107 khuẩn lạc/μg plasmid DNA. Quy trình biến nạp bằng phƣơng pháp calcium chloride đƣợc trình bày dƣới dạng sơ đồ sau: 2.4 Thông thƣờng, ngƣời ta xử lý tế bào vi khuẩn trong dung dịch muối lạnh của kim loại hóa trị II nhƣ CaCl2, MgCl2, RbCl2. Việc biến nạp DNA plasmid vào vi khuẩn đạt hiệu quả cao hơn khi có sự hiện diện của ion Ca2+ ở nhiệt độ thấp (0 – 4 0 C). Ion Ca 2+ có thể gây ra những xáo trộn trên màng tế bào làm cho DNA xâm nhập vào dễ dàng hơn. Giai đoạn shock nhiệt kế tiếp sẽ kích thích sự chuyển DNA vào tế bào. Môi trƣờng dƣỡng chất đƣợc thêm vào sau đó cho phép tế bào phục hồi và DNA tiến hành sao mã, dịch mã để tạo ra các protein tƣơng ứng. So với điện biến nạp, phƣơng pháp này tốn nhiều thời gian hơn, hệ số biến nạp của tế bào sau khi xử lý thấp nhƣng đơn giản và dễ thực hiện (Phạm Duy và Huỳnh Văn Thái, 2005). Hình 2.10: Quy trình biến nạp bằng phƣơng pháp CaCl2. 19 2.5 Phòng trừ sinh học bệnh cây và tác nhân phòng trừ sinh học Theo Cook và Baker (1983), phòng trừ sinh học bệnh cây là sử dụng một hoặc nhiều loài sinh vật (ngoại trừ con ngƣời) để khống chế mầm bệnh hay làm giảm sự sinh trƣởng và phát triển của một tác nhân gây hại nào đó. Đến năm 1988, Cook đã đƣa ra một khái niệm rộng hơn về phòng trừ sinh học. Theo ông, phòng trừ sinh học bệnh cây là sử dụng sinh vật, gene và các sản phẩm của gene để điều khiển tác nhân gây bệnh. Cách điều khiển tác nhân gây bệnh có thể là: (i) duy trì nguồn bệnh ở mức thấp dƣới ngƣỡng gây hại, (ii) làm chậm hoặc loại trừ tiến trình xâm nhiễm của bệnh, (iii) kích hoạt và tạo điều kiện phát huy hệ thống tự vệ của cây. Các công trình nghiên cứu về tác nhân phòng trừ sinh học đƣợc công bố vào đầu thế kỉ 20 cho thấy vi khuẩn là một trong những tác nhân phòng trừ sinh học phổ biến và hiệu quả. Đây là nhóm vi khuẩn hoại sinh mà phổ biến nhất là Pseudomonas spp., kế đến là Bacillus spp. và Streptomyces (Burr và cộng sự, 1978; Weller và Cook, 1983). Vi khuẩn đóng vai trò là tác nhân phòng trừ sinh học dựa trên quan hệ đối kháng với một số vi sinh vật gây bệnh cây. Tác động đối kháng có thể xảy ra bằng nhiều cơ chế nhƣ: cạnh tranh chỗ cƣ trú; cạnh tranh dinh dƣỡng, đặc biệt là việc cạnh tranh chất Fe bằng cách tạo ra các hợp chất siderophore. Trong môi trƣờng tự nhiên khi thiếu một chất dinh dƣỡng nào đó hay hàm lƣợng chất đó không đủ cung cấp vi sinh vật thì loại vi sinh vật nào có khả năng đồng hóa mạnh sẽ lấy đƣợc nhiều thức ăn và phát triển, còn loại yếu bị đói và có thể bị tiêu diệt. Cơ chế thứ ba là tiết chất kháng sinh và phân hóa tố: trong quá trình hoạt động sống, nhiều vi sinh vật có thể tiết ra bên ngoài các chất có tác dụng ức chế một hoặc nhiều loại vi sinh vật khác. Các chất này có thể là kháng sinh hay các phân hóa tố để phân giải tế bào vi sinh vật khác. Tác động đối kháng cũng có thể do cơ chế siêu kí sinh trên mầm bệnh hoặc kích thích sự tăng trƣởng của cây trồng: nhiều vi khuẩn đối kháng với vi sinh vật gây bệnh cây trồng một cách gián tiếp bằng cách kích thích sự tăng trƣởng của cây nhờ đó cây kháng đƣợc mầm bệnh. 20 2.5.1 Vi khuẩn Pseudomonas fluorescens Trong số các loài Pseudomonas spp., P. fluorescens là đƣợc chú ý nghiên cứu hơn hết, vì ngoài khả năng đối kháng với 10 loại mầm bệnh phát sinh từ đất, nó còn có khả năng kích thích sự phát triển của cây trồng (Nguyễn Trọng Thể, 2004). Pseudomonas fluorescens là loài trực khuẩn, Gram (-), có đơn hoặc tùng mao, sống hiếu khí bắt buộc nhƣng một số dòng có khả năng sử dụng nitrate thay thế oxy làm chất nhận electron cuối cùng trong quá trình hô hấp tế bào. Chúng có cơ chế trao đổi chất cực kì linh hoạt giúp chúng sống đƣợc cả trong đất và trong nƣớc. Nhiệt độ tối ƣu cho sự phát triển của Pseudomonas fluorescens là 25-300C. Chúng có trắc nghiệm dƣơng tính với oxidase. Một số dòng Pseudomonas fluorescens (chẳng hạn nhƣ CHAO hay Pf-5) có những đặc tính kiểm soát sinh học, giúp bảo vệ vùng rễ một số loài thực vật chống lại nấm kí sinh nhƣ Fusarium hay Pythium, cũng nhƣ một số loài nematode ăn thực vật. Đến nay, ngƣời ta vẫn chƣa biết đƣợc chính xác cơ chế kiểm soát sinh học của Pseudomonas fluorescens, một số giả thuyết đƣợc đƣa ra nhƣ sau: thứ nhất ngƣời ta cho rằng chúng kích thích tính kháng tập thể của cây, giúp cây kháng lại tốt hơn sự tấn công của mầm bệnh thực sự. Thứ hai là chúng cạnh tranh dinh dƣỡng với các vi sinh vật gây bệnh, ví dụ nhƣ tiết ra các hợp chất siderophore tạo điều kiện thuận lợi cho việc cạnh tranh Fe. Và cuối cùng chúng có thể tạo ra các hợp chất đối kháng với các vi sinh vật khác, chẳng hạn nhƣ các loại kháng sinh thuộc họ phenazine hoặc hydrogen cyanide. 2.5.1.1 Phân loại vi khuẩn Pseudomonas fluorescens Giới: Bacteria Ngành: Proteobacteria Lớp: Gamma Proteobacteria Bộ: Pseudomonadales Họ: Pseudomonadaceae Giống: Pseudomonas 21 Loài: Pseudomonas fluorescens 2.5.1.2 Các nghiên cứu về vi khuẩn Pseudomonas fluorescens Năm 1935, các nhà khoa học Liên Xô đã dùng một số loài vi khuẩn thuộc nhóm Pseudomonas bón vào đất để chống lại nấm Sclerotonia và Botrylis bảo vệ nhiều loại cây trồng. Những chủng vi khuẩn vùng rễ trong đó có Pseudomonas fluorescens đối kháng mạnh với Rhizoctonia solani, Sclerotium (corticium) rolfsii. Nguồn vi khuẩn này cũng đƣợc sử dụng trong phòng trừ sinh học hiệu quả đối với bệnh thối bẹ lá, bệnh thối thân đậu phộng, nâng cao sự phát triển cây trồng và tăng năng suất (Sakthivel và ctv, 1986). Mew và Rosales (1984) đã phân lập từ ngoài đồng hai loài vi khuẩn phát huỳnh quang và không phát huỳnh quang trên môi trƣờng KB đối kháng với nấm Rhizoctonia solani. Gutter Son và ctv (1986) đã sử dụng dòng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens trong phòng trừ bệnh héo cây con trên cây bông. Sivamani và Gnanamanickam (1988) đã xử lý cây chuối con Musa balbisiana bằng vi khuẩn đối kháng Pseudomonas fluorescens trên bệnh héo rũ. Kết quả bệnh ít hơn, rễ cây phát triển tốt hơn và tăng chiều cao. Nghiên cứu về vi khuẩn đối kháng Pseudomonas fluorescens có huỳnh qu