Chuong 5 vi sinh

• Cấu trúc vi khuẩn– Nhỏ 1–5 µm – Không nhân, DNA là nhiễm sắc thể đơn, dạng vòng– Có thể chứa plasmid – Thành tế bào bao quanh màng plasma chứa peptidoglycan; có chức năng bảo vệ– Vài v

Chương 5

CNSH vi sinh

Nội dung

• 5.1 Cấu trúc vi sinh vật

• 5.2 Vi sinh vật là công cụ trong CNSH

• 5.3 Ứng dụng VSV trong đời sống hàng ngày

• 5.4 Vaccines

• 5.5 Bộ gen vi sinh vật

• 5.6 Chẩn đoán vi sinh vật

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Microbes (microorganisms)

– Sinh vật nhỏ bé không quan sát bằng mắt thường

– Bacteria, fungi, algae, and protozoa

• Cấu trúc vi khuẩn

– Nhỏ (1–5 µm)

– Không nhân, DNA là nhiễm sắc thể đơn, dạng vòng– Có thể chứa plasmid

– Thành tế bào bao quanh màng plasma chứa

peptidoglycan; có chức năng bảo vệ– Vài vi khuẩn chứa một lớp ngoài là carbohydrates tạo

nên cấu trúc là capsule

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Vi khuẩn phân loại bởi nhuộm Gram

– Gram + màu tím

• Vách tế bào đơn giản chứa peptidoglycan

– Gram – màu hồng

• Vách tế bào phức tạp chứa ít peptidoglycan

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Vi khuẩn biến đổi về kích thước và hình dạng

– Các dạng phổ biến

• Cocci – spherical cells

• Bacilli – rod-shaped cells

• Spiral – corkscrew-shaped cells

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Nhiễm sắc thể đơn dạng vòng đơn giản

– 2–4 triệu base pairs

• Vài vi khuẩn chứa plasmids

– Plasmids thường chứa gen kháng kháng sinh và mã hóa

protein tạo thành ống dẫn pili

– Plasmids là công cụ chủ yếu của CNSH

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Vi khuẩn sinh trưởng và phân chia nhanh

– Phân chia mỗi 20 phút hoặc hơn

• Dễ dàng tạo đột biến sử dụng nghiên cứu về di truyền và phân tử

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Nấm men – sinh vật nhân thực đơn bào

– Nguồn kháng sinh và thuốc ít

– Cơ chế biểu hiện gen giống như ở tế bào người

5.1 Cấu trúc của vi sinh vật

• Có các promotor mạnh sử dụng trong sản xuất protein

• Có thể sử dụng trong nuôi cấy qui mô lớn tạo sinh khối

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Enzymes

– Sử dụng trong sản xuất thực phẩm cho đến nghiên cứu sinh học phân tử

– Taq DNA polymerase

• Phân lập từ vi khuẩn chịu nhiệt

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Transformation – biến nạp

– Bước quan trọng trong công nghệ DNA tái tổ hợp

– Tế bào khả nạp có khả năng tiếp nhận DNA ngoại lai

• Xử lý tế bào với dung dịch calcium chloride

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Transformation

– DNA mục tiêu được đưa vào plasmid chứa một hoặc nhiều gen kháng kháng sinh

– Vector plasmid hòa với tế bào khả nạp và ủ trên đá

– Tế bào được xử lý nhiệt nhanh để DNA đi vào bên trong– Tăng sinh trong môi trường lỏng

– Trải trên đĩa chứa kháng sinh

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Có thể đưa DNA vào các loại tế bào khác

• Hiệu quả cao

• Vector plasmin được gọi là vector biểu hiện

– Chứa trình tự promoter của sinh vật nhân sơ

5.2 Microorganisms as Tools

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Reporters

– Bioluminescence – phương pháp sản sinh ánh sáng từ

sinh vật biển

• Tạo ra từ vi khuẩn Vibrio fisheri ký sinh sinh vật biển

• Tạo ánh sáng từ hoạt động của gen lux

5.2 Công cụ từ vi sinh vật

• Reporters

– Lux gene được tạo dòng và sử dụng trong nghiên cứu

biểu hiện gene

• Tạo dòng gen lux trong plasmid

• Nếu chèn vào trong tế bào động vật hay thực vật sẽ tạo ra enzyme luciferase và sẽ phát sáng, cung cấp chỉ thị nhìn thấy được của sự biểu hiện gene

5.3 Ứng dụng vi sinh

• Thực phẩm

– Breads, yogurts, cheeses, sauerkraut

– Beer, wines, champagnes, liquors

• Lên men – Quá trình chuyển hóa năng lượng từ

đường trong điều kiện hiếm khí

– Lactic acid fermentation

– Alcohol fermentation

5.3 Using Microbes for a Variety of Everyday Applications

5.3 Ứng dụng vi sinh

• Protein chữa bệnh

– Tạo ra các protein chữa bệnh quan trọng– Insulin

5.3 Using Microbes for a Variety of Everyday Applications

5.3 Ứng dụng vi sinh

• Antibiotics

– Tạo ra từ vi sinh ức chế các vi sinh khác

– 1928 phát hiện penicillin bởi Alexander Fleming– Phần lớn tạo ra từ vi khuẩn

5.3 Ứng dụng vi sinh

5.3 Ứng dụng vi sinh

• Ứng dụng ngoài đồng

– Phân hủy rác thải

– Xử lý ô nhiễm môi trường

– 1987 Steven Lindow at University of California

• Ứng dụng vi sinh vật ngoài đồng đầu tiên

• Tạo ra các chủng vi khuẩn giúp cây trồng tránh sương giá

– Can thiệp di truyền các chủng vi khuẩn giúp bảo vệ cây

5.4 Vaccines

• Hệ thống miễn dịch và kháng thể

– Kháng nguyên là chất bên ngoài khích hoạt các phản ứng

miễn dịch

• Vi khuẩn, fungi, và viruses

• Proteins, lipids, hoặc carbohydrates – Hệ thống miễn dịch phản ứng với kháng nguyên bằng cách sản xuất kháng thể

• Miễn dịch qua kháng thể

5.4 Vaccines

• Hệ thống miễn dịch và kháng thể

– Kháng thể có tính đặc hiệu

• Nối với kháng nguyên

• Macrophage có thể nhận biết kháng nguyên bị bao bởi kháng thể và “ăn” chúng

– Đôi lúc sự tạo kháng thể tự nhiên không đủ giúp bảo vệ

cơ thể chống lại tác nhân gây bệnh

5.4 Vaccines

5.4 Vaccines

• Vaccines – các bộ phận của mầm bệnh hoặc toàn

bộ sinh vật có thể được đưa vào người hoặc động vật qua đường miệng hoặc đường tiêm để kích

thích hệ thống miễn dịch chống lại sự lây nhiễm

của các mầm bệnh đó.

5.4 Vaccines

• Ba chiến lược chính để tạo vắc xin

– Vắc xin tiểu đơn vị được tạo ra bằng cách tiêm các

phần của cấu trúc vi rút hoặc vi khuẩn

– Vắc xin giảm độc lực sử dụng vi khuẩn hoặc vi rút sống

đã bị suy yếu do quá trình lão hóa hoặc bằng cách thay đổi điều kiện phát triển của chúng để ngăn chặn sự nhân lên

– Vắc xin bất hoạt (bị giết) được tạo ra bằng cách tiêu diệt

mầm bệnh và sử dụng vi sinh vật đã chết hoặc bất hoạt cho vắc xin

5.5 Các bộ gen vi sinh vật

• 1994 Chương trình bộ gen vi sinh vật (MGP)

– Giải trình tự toàn bộ bộ gen của vi sinh vật có tiềm năng ứng dụng trong sinh học môi trường, nghiên cứu, công nghiệp và sức khỏe cũng như bộ gen của các mầm bệnh đơn bào

• 2008 NIH công bố kế hoạch cho Dự án Hệ vi sinh vật ở người

– Dự án kéo dài 5 năm nhằm giải trình tự 600 bộ gen của

5.5 Các bộ gen vi sinh vật

• Tại sao giải trình tự bộ gen vi sinh vật?

– Streptococcus pneumoniae, gây nhiễm trùng tai và phổi,

giết chết 3 triệu trẻ em trên toàn thế giới mỗi năm– Nhiều loại vắc-xin không hiệu quả ở trẻ em

– Năm 2001, bộ gen được giải trình tự và nhiều gen mã hóa protein trên bề mặt vi khuẩn được phát hiện

– Có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới, bao gồm

cả liệu pháp gen– Xác định các gen liên quan đến quá trình trao đổi chất, phân chia tế bào của vi khuẩn và các gen gây bệnh cho

• Why sequence microbial genomes?

5.5 Microbial Genomes

5.6 Chẩn đoán vi sinh vật

• Chẩn đoán vi sinh vật

– Kỹ thuật được sử dụng để phát hiện và theo dõi vi sinh vật

– Các chiến lược phát hiện vi khuẩn

• Phân tích RFLP, PCR và giải trình tự DNA

• Cơ sở dữ liệu có sẵn để so sánh các mẫu lâm sàng

– Được sử dụng để phát hiện và theo dõi sự ô nhiễm vi khuẩn của thực phẩm

5.6 Microbial Diagnostics

5.6 Microbial Diagnostics

5.6 Microbial Diagnostics

5.7 Chống khủng bố sinh học

• Khủng bố sinh học

– Việc sử dụng các vật liệu sinh học làm vũ khí để gây hại cho con người hoặc động vật và thực vật mà chúng ta phụ thuộc vào để làm thực phẩm

– Chỉ có khoảng 12 sinh vật khả thi có thể được nuôi cấy, tinh chế và sử dụng trong khủng bố sinh học

– Ở dạng khí, bụi, hoặc nguồn nước