Chu trình Ly giải (Lytic cycle):
Tương tự như thể thực khuẩn độc lực, trong chu trình ly giải, thể thực khuẩn ôn hòa thực hiện các bước sau:
- Bám dính: Virus bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn thông qua các thụ thể đặc hiệu.
- Xâm nhập: Tiêm vật liệu di truyền (DNA hoặc RNA) vào tế bào vi khuẩn.
- Sinh tổng hợp: Sử dụng bộ máy của tế bào vi khuẩn để sao chép DNA/RNA của virus và tổng hợp các protein của virus. Giai đoạn này bao gồm việc virus kiểm soát hoạt động của tế bào chủ, chuyển hướng nguồn lực của tế bào để phục vụ cho việc nhân lên của virus.
- Lắp ráp: Các thành phần mới được tạo thành (DNA/RNA của virus và protein vỏ) được lắp ráp thành các hạt virus hoàn chỉnh.
- Ly giải: Giải phóng các hạt virus mới bằng cách phá vỡ tế bào vi khuẩn. Virus tổng hợp các enzyme làm tan thành tế bào, giải phóng hàng trăm hạt phage mới để lây nhiễm các tế bào vi khuẩn khác.
Chu trình Tiềm tan (Lysogenic cycle)
Đây là đặc điểm phân biệt thể thực khuẩn ôn hòa với thể thực khuẩn độc lực. Trong chu trình tiềm tan:
- Tích hợp: DNA của thể thực khuẩn, được gọi là prophage, được tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Quá trình này thường xảy ra ở một vị trí đặc hiệu trên nhiễm sắc thể vi khuẩn.
- Sao chép: Prophage được sao chép cùng với DNA của vi khuẩn mỗi khi vi khuẩn phân chia, do đó tất cả các tế bào con đều mang prophage. Vi khuẩn mang prophage được gọi là vi khuẩn tiềm tan (lysogen).
- Duy trì: Prophage có thể duy trì trong trạng thái tiềm tan này trong nhiều thế hệ vi khuẩn mà không gây hại cho tế bào chủ.
- Chuyển đổi lysogenic (Lysogenic conversion): Sự hiện diện của prophage có thể thay đổi kiểu hình của vi khuẩn chủ, ví dụ như khả năng gây bệnh hoặc kháng kháng sinh. Điều này xảy ra do prophage mang theo các gen có thể biểu hiện trong tế bào vi khuẩn. Ví dụ, một số chủng vi khuẩn gây bệnh bạch hầu chỉ gây bệnh khi chúng mang prophage mã hóa độc tố bạch hầu.
- Chuyển sang chu trình ly giải (Induction): Dưới tác động của một số yếu tố môi trường như tia UV, stress, hoặc một số hóa chất, prophage có thể tách khỏi nhiễm sắc thể của vi khuẩn và chuyển sang chu trình ly giải, dẫn đến sự ly giải tế bào vi khuẩn và giải phóng các hạt virus mới.
Ý nghĩa của thể thực khuẩn ôn hòa
Thể thực khuẩn ôn hòa đóng vai trò quan trọng trong:
- Nghiên cứu di truyền vi khuẩn: Thể thực khuẩn ôn hòa đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển gen giữa các vi khuẩn (transduction), góp phần vào sự đa dạng di truyền của vi khuẩn. Cụ thể hơn, quá trình transduction có thể xảy ra khi prophage tách khỏi nhiễm sắc thể vi khuẩn, mang theo một phần DNA của vi khuẩn và chuyển sang lây nhiễm vi khuẩn khác.
- Ứng dụng trong công nghệ sinh học: Được sử dụng làm vector trong liệu pháp gen và các ứng dụng công nghệ sinh học khác. Ví dụ, phage lambda được sử dụng rộng rãi làm vector để клонировать và biểu hiện gen.
- Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: Một số vi khuẩn gây bệnh mang prophage mã hóa các độc tố, làm tăng độc lực của vi khuẩn.
Ví dụ về thể thực khuẩn ôn hòa:
Một ví dụ điển hình là thể thực khuẩn lambda (λ phage) lây nhiễm vi khuẩn E. coli.
Cơ chế phân tử của chu trình tiềm tan
Sự tích hợp của prophage vào nhiễm sắc thể vi khuẩn là một quá trình chính xác, thường xảy ra tại các vị trí đặc hiệu gọi là vị trí att (attachment sites). Enzyme integrase của phage xúc tác phản ứng tái tổ hợp giữa attP (vị trí att trên phage) và attB (vị trí att trên vi khuẩn), dẫn đến sự tích hợp prophage.
Trong trạng thái tiềm tan, sự biểu hiện của hầu hết các gen của prophage bị ức chế bởi một protein ức chế do chính prophage mã hóa. Protein này ngăn chặn sự phiên mã của các gen cần thiết cho chu trình ly giải, duy trì trạng thái tiềm tan. Protein ức chế này liên kết với các vùng điều hòa đặc hiệu trên DNA của phage, ngăn cản RNA polymerase bắt đầu phiên mã.
Sự chuyển đổi từ chu trình tiềm tan sang chu trình ly giải (induction) thường được kích hoạt bởi các yếu tố gây stress cho vi khuẩn, chẳng hạn như tia UV hoặc các chất gây đột biến DNA. Các yếu tố này làm bất hoạt protein ức chế, cho phép sự phiên mã của các gen phage và bắt đầu chu trình ly giải. Ví dụ, tia UV có thể gây ra tổn thương DNA, kích hoạt phản ứng SOS trong vi khuẩn. Phản ứng SOS này lại dẫn đến sự phân hủy protein ức chế của phage.
Ứng dụng của thể thực khuẩn ôn hòa trong nghiên cứu và công nghệ sinh học
- Chuyển gen (Transduction): Thể thực khuẩn ôn hòa có thể mang theo các đoạn DNA của vi khuẩn chủ khi chúng tách khỏi nhiễm sắc thể và đóng gói vào các hạt phage mới. Quá trình này được gọi là transduction và có thể được sử dụng để chuyển gen giữa các vi khuẩn. Có hai loại transduction chính: transduction tổng quát và transduction chuyên biệt.
- Liệu pháp phage: Thể thực khuẩn ôn hòa có thể được sử dụng để tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên, việc sử dụng thể thực khuẩn ôn hòa trong liệu pháp phage cần được cân nhắc cẩn thận do khả năng chuyển gen và khả năng chuyển đổi lysogenic. Các thể thực khuẩn độc lực thường được ưu tiên hơn trong liệu pháp phage.
- Công cụ nghiên cứu: Thể thực khuẩn ôn hòa, đặc biệt là phage lambda, đã được sử dụng rộng rãi như một công cụ nghiên cứu để hiểu rõ các quá trình di truyền và phân tử ở vi khuẩn.
Mối quan hệ giữa thể thực khuẩn ôn hòa và vi khuẩn
Mối quan hệ giữa thể thực khuẩn ôn hòa và vi khuẩn là một ví dụ về sự tiến hóa đồng thời. Thể thực khuẩn ôn hòa đã phát triển các cơ chế để tồn tại và nhân lên trong vi khuẩn mà không gây ra cái chết ngay lập tức của vật chủ. Ngược lại, vi khuẩn đã phát triển các cơ chế để bảo vệ chống lại sự lây nhiễm của phage, bao gồm cả hệ thống CRISPR-Cas. Hệ thống CRISPR-Cas hoạt động như một hệ thống miễn dịch thích nghi ở vi khuẩn, cho phép chúng ghi nhớ và chống lại sự lây nhiễm của phage trong tương lai.
Thể thực khuẩn ôn hòa là các virus lây nhiễm vi khuẩn có khả năng tích hợp vật liệu di truyền của chúng vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn chủ, tạo thành prophage. Điều này phân biệt chúng với thể thực khuẩn độc lực, luôn luôn ly giải tế bào chủ. Thể thực khuẩn ôn hòa có thể tồn tại theo hai chu trình sống: chu trình ly giải và chu trình tiềm tan.
Trong chu trình ly giải, thể thực khuẩn ôn hòa hoạt động tương tự như thể thực khuẩn độc lực, nhân lên và ly giải tế bào chủ. Tuy nhiên, trong chu trình tiềm tan, DNA của phage được tích hợp vào genome của vi khuẩn và được sao chép cùng với DNA của vi khuẩn. Trạng thái này được duy trì nhờ một protein ức chế do prophage mã hóa.
Sự chuyển đổi lysogenic, một hiện tượng quan trọng liên quan đến thể thực khuẩn ôn hòa, có thể làm thay đổi kiểu hình của vi khuẩn chủ. Ví dụ, một số độc tố vi khuẩn được mã hóa bởi prophage, làm tăng độc lực của vi khuẩn. Các yếu tố môi trường như tia UV có thể gây ra sự tách rời của prophage và kích hoạt chu trình ly giải.
Thể thực khuẩn ôn hòa đóng vai trò quan trọng trong sự đa dạng di truyền của vi khuẩn thông qua transduction, quá trình mà phage mang theo các đoạn DNA của vi khuẩn từ tế bào này sang tế bào khác. Chúng cũng là công cụ quan trọng trong nghiên cứu di truyền và công nghệ sinh học, ví dụ như trong liệu pháp phage. Tuy nhiên, việc sử dụng thể thực khuẩn ôn hòa cần được cân nhắc kỹ lưỡng do khả năng chuyển gen và chuyển đổi lysogenic.
Tài liệu tham khảo:
- Griffiths AJF, Miller JH, Suzuki DT, et al. An Introduction to Genetic Analysis. 7th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
- Ptashne M. A Genetic Switch: Phage Lambda Revisited. 3rd edition. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2004.
- Snyder L, Champness W. Molecular Genetics of Bacteria. 4th edition. Washington, DC: ASM Press; 2013.
Câu hỏi và Giải đáp
Ngoài tia UV và các chất gây đột biến, còn những yếu tố nào khác có thể kích hoạt quá trình induction, chuyển thể thực khuẩn ôn hòa từ chu trình tiềm tan sang chu trình ly giải?
Trả lời: Bên cạnh tia UV và các chất gây đột biến DNA, một số yếu tố stress khác cũng có thể kích hoạt induction, bao gồm: thay đổi nhiệt độ, sự khan hiếm dinh dưỡng, và một số loại hóa chất nhất định như mitomycin C. Cơ chế chính xác của induction có thể khác nhau tùy thuộc vào phage và vi khuẩn chủ, nhưng thường liên quan đến việc ức chế protein ức chế duy trì chu trình tiềm tan.
Làm thế nào thể thực khuẩn ôn hòa đảm bảo prophage được sao chép cùng với DNA của vi khuẩn chủ trong chu trình tiềm tan?
Trả lời: Prophage được tích hợp trực tiếp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, trở thành một phần của genome vi khuẩn. Mỗi khi vi khuẩn sao chép DNA của nó, prophage cũng được sao chép đồng thời. Điều này đảm bảo tất cả các tế bào con đều nhận được một bản sao của prophage.
Sự khác biệt chính giữa transduction tổng quát (generalized transduction) và transduction chuyên biệt (specialized transduction) là gì?
Trả lời: Trong transduction tổng quát, một đoạn DNA ngẫu nhiên của vi khuẩn chủ có thể được đóng gói vào capsid phage. Ngược lại, transduction chuyên biệt chỉ xảy ra với thể thực khuẩn ôn hòa và liên quan đến việc chuyển một đoạn DNA đặc hiệu nằm gần vị trí tích hợp của prophage.
Nếu prophage mang lại lợi ích cho vi khuẩn chủ, ví dụ như gen kháng kháng sinh, tại sao nó lại chuyển sang chu trình ly giải và tiêu diệt vật chủ?
Trả lời: Mặc dù prophage có thể mang lại lợi ích cho vi khuẩn chủ trong một số điều kiện, việc chuyển sang chu trình ly giải là một chiến lược “bảo tồn” của phage khi vi khuẩn chủ gặp stress và có nguy cơ bị chết. Bằng cách ly giải tế bào và giải phóng các phage mới, phage có thể lây nhiễm sang các tế bào vi khuẩn khác và tiếp tục tồn tại.
Ứng dụng của thể thực khuẩn ôn hòa trong liệu pháp phage gặp phải những thách thức nào?
Trả lời: Mặc dù thể thực khuẩn ôn hòa có tiềm năng trong liệu pháp phage, một số thách thức cần được giải quyết bao gồm: khả năng chuyển gen không mong muốn (đặc biệt là gen kháng kháng sinh), khả năng chuyển đổi lysogenic làm tăng độc lực của vi khuẩn, và khả năng phage phát triển tính kháng với hệ thống miễn dịch của vi khuẩn. Việc lựa chọn phage phù hợp và tối ưu hóa liệu pháp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn.
- Virus “lười biếng”: Có thể nói thể thực khuẩn ôn hòa là những virus “lười biếng” theo một cách nào đó. Thay vì ngay lập tức tiêu diệt tế bào chủ, chúng chọn “núp mình” bên trong, nhân lên một cách thụ động cùng với vi khuẩn. Chiến lược này đảm bảo sự tồn tại của chúng miễn là vi khuẩn chủ còn sống.
- “Kẻ cướp biển” DNA: Qua quá trình transduction, thể thực khuẩn ôn hòa có thể vô tình trở thành “kẻ cướp biển” DNA, mang theo các gen của vi khuẩn chủ, bao gồm cả gen kháng kháng sinh, và truyền sang các vi khuẩn khác. Điều này góp phần đáng kể vào sự lây lan kháng kháng sinh trong quần thể vi khuẩn.
- Biến đổi “Dr. Jekyll và Mr. Hyde”: Sự chuyển đổi lysogenic có thể biến đổi vi khuẩn chủ một cách đáng kinh ngạc, giống như câu chuyện “Dr. Jekyll và Mr. Hyde”. Một vi khuẩn vô hại có thể trở nên nguy hiểm chỉ vì sự hiện diện của một prophage mang gen độc tố.
- “Kẻ sống sót” bền bỉ: Prophage có thể tồn tại trong genome vi khuẩn chủ qua nhiều thế hệ mà không gây hại. Chúng chỉ chuyển sang chu trình ly giải khi vi khuẩn gặp stress, ví dụ như khi bị tấn công bởi hệ miễn dịch hoặc tiếp xúc với kháng sinh. Điều này cho thấy khả năng thích nghi và tồn tại đáng kinh ngạc của thể thực khuẩn ôn hòa.
- “Mỏ vàng” cho công nghệ sinh học: Các nhà khoa học đã khai thác thể thực khuẩn ôn hòa, đặc biệt là phage lambda, như một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu di truyền và công nghệ sinh học. Chúng được sử dụng làm vector để chuyển gen, nghiên cứu biểu hiện gen, và phát triển các liệu pháp phage mới.
- Vũ khí bí mật của vi khuẩn: Mặc dù có thể bị lây nhiễm bởi thể thực khuẩn ôn hòa, vi khuẩn cũng phát triển các cơ chế phòng thủ tinh vi, chẳng hạn như hệ thống CRISPR-Cas, để chống lại sự xâm nhập của phage. Cuộc chạy đua vũ trang giữa vi khuẩn và phage này là một minh chứng cho sự tiến hóa không ngừng nghỉ của sự sống.