Di truyền học vi sinh vật - phần mở đầu

Giả thiết một gen – một enzym

Vào năm 1941, G. Beadle và E. Tatum tiến hành thí nghiệm trên vi nấm Neurospora crassa. Công trình chứng minh mối liên hệ giữa gen và tính trạng thông qua việc kiểm soát các enzym – protein và qua đó kiểm soát các phản ứng sinh hóa trong tế bào. Giả thuyết này mở ra một trang mới về mối quan hệ chức năng giữa gen và enzym trong con đường trao đổi chất của cơ thể. Phát minh này có ý nghĩa quan trọng: đó là bước chuyển tiếp từ di truyền học cổ điển sang di truyền phân tử. Chính vì vậy, hai ông đã được nhận giải thưởng Nobel vào năm 1958.

Các chứng minh trực tiếp rằng ADN là vật chất di truyền

Ngay sau khi các định luật của Mendel được phát hiện lại vào năm 1900, di truyền học đã phát triển rất nhanh với thuyết di truyền NST và nhiều thành tựu khác như gây đột biến nhân tạo... Tuy nhiên cho đến 1940, vẫn chưa có một bước tiến triển nào trong hiểu biết bản chất hoá học của vật liệu di truyền và chưa hiểu được bằng cách nào gen trên nhiễm sắc thể biểu hiện ra tính trạng. Trong một thời gian dài, mặc dù có nhiều số liệu gián tiếp cho thấy ADN là vật chất di truyền, nhưng protein vẫn được coi là thành phần chủ yếu của vật liệu di truyền vì nó có cấu trúc phân tử khá phức tạp. Do vậy, các chứng minh trực tiếp trên các Vi sinh vật có ý nghĩa quyết định trong xác nhận vai trò của ADN.

a. Biến nạp : truyền thông tin di truyền nhờ ADN.

Năm 1928, Griffith phát hiện hiện tượng biến nạp (transformation) ở vi khuẩn Diplococus pneumoniae (nay gọi làStreptococus pneumoniae. Năm 1944, T.Avery, Mc Leod và Mc Carty đã xác định rõ tác nhân gây biến nạp là ADN. Hiện tượng biến nạp là bằng chứng trực tiếp đầu tiên xác nhận rằng ADN mangthông tin di truyền.

b. Sự xâm nhập của ADN virut vào vi khuẩn.

Năm 1952, A.Hershey và M.Chaz đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 (virut của vi khuẩn hay gọi tắt là phage) xâm nhập vi khuẩn E. coli, chứng minh trực tiếp rằng ADN của phage T₂ đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng tiếp tục lây nhiễm các vi khuẩn khác. Kết luận: Vật chất di truyền của phage T2 là ADN.

Năm 1952 đã diễn ra nhiều cuộc tranh luận sôi nổi về vai trò của ADN: là vật chất di truyền. Sau đó, năm 1953 mô hình Waston và Crick đã đặt dấu chấm kết cho giai đoạn nghi ngờ rằng ADN có là vật liệu di truyền hay không.

Các chứng minh trực tiếp nêu trên là những tiền đề quan trọng cho phát minh ra mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN của Waston và Crick. Nóđã tạo nên bước phát triển mới cho sinh học dẫn đến sự hình thành sinh học phân tử hiện đại.

Chi tiết hóa “học thuyết trung tâm„ của sinh học phân tử: ADN → ARN → Protein

a. Sao chép ADN

– Trong năm 1955, A. Kornberg và đồng sự đã phân lập ADN polymeaz I từ vi khuẩn E. coli. Sau khi cho enzym này vào ống nghiệm muối chứa ADN và 4 loại nucleotit triphotphat, hỗn hợp này có thể tổng hợp mạch ADN mới.

– Năm 1958, trên đối tượng E. coli, M.Meselson và F. Stahl đã chứng minh ADN sao chép theo cơ chế “bán bảotồn”: mỗi mạch bố mẹ sẽ làm khuôn cho sự tổng hợp mạch ADN mới.

Cho đến nay, toàn bộ chi tiết về sao chép ADN đều được thực hiện trên E. coli.

b. Các quá trình phiên mã, dịch mã và điều hòa sinh tổng hợp protein

Trên đối tượng E. coli:

– Năm 1961: S. Brenner, Fr. Jacob và M. Meselson đã khám phámARN là phân tử mang thông tin di truyền của ADN từ nhân đến bộ máy sản xuất protein nằm trong tế bào chất. Điều này bác bỏ giả thuyết của Fr. Crick nêu ra năm 1958 cho rằng ARN của riboxom là phân tử trung gian mang thông tin di truyền từ nhân sang tế bào chất.

– 1961 – 1966: Mã di truyền được khám phá. (Giải Nobel)

– Ngoài 2 phát minh trên, toàn bộ các quá trình phiên mã, dịch mã, cấu trúc của riboxom đều thực hiện trước tiên trên E. coli.

– 1962: Phát hiện cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein ở Operon lactoz.(Giải Nobel)

– 1970: Phát hiện enzym Reverse transcriptaz. (Giải Nobel)

Những đóng góp cụ thể của các đối tượng làm mô hình chủ yếu

Việc tìm hiểu những đóng góp cụ thể của các đối tượng làm mô hình chủ yếu sẽ giúp hiểu rõ một cách hệ thống và cụ thể hơn về vai trò “cách mạng trong cách mạng” của di truyền Vi sinh vật.

a. Vi khuẩn Escherichia coli (E. coli)

– Các đóng góp chủ yếu: Đối tượng chủ yếu được dùng cho các nghiên cứu:

• Sao chép, phiên mã, dịch mã và tái tổ hợp.
• Đột biến.
• Điều hòa biểu hiện gen (Gen regulation).
• Kỹ thuật ADN tái tổ hợp (recmbinant ADN technology).

– Đóng góp cho nghiên cứu các lĩnh vực