Bài giảng Sinh học vi sinh

g điều kiện yếm khí, có hình dài hơn trong điều kiện hiếu khí Hình thái tế bào Hình thái tế bào • Một số tế bào nấm men có hình dài nối tiếp nhau thành dạng sợi gọi là khuẩn ty (mycelium) hoặc khuẩn ty giả (pseudomycelium). • Nhiều loài nấm men chỉ sinh khuẩn ty giả khi không được cung cấp đủ oxy Cấu tạo tế bào • Tế bào nấm men cấu tạo gồm các thành phần: Thành tế bào • Dày khoảng 25 nm, chiếm khoảng 25-30% trọng lượng khô tế bào • Gồm 3 lớp: Lớp ngoài cùng: cấu tạo chủ yếu là lipoprotein Lớp giữa: cấu tạo chủ yếu là mannan protein Lớp trong: cấu tạo chủ yếu là glucan Glucan và mannan đảm bảo tính cứng rắn thành tế bào • Protein chiếm khoảng 6-10% trọng lượng khô tế bào • Chitin chiếm 1-3%, thường nằm ở phần nảy chồi, có tác dụng bảo vệ chồi non • Ngoài ra còn có lipid ở dạng phospholipid, các chất khoáng • Cấu tạo chủ yếu là protein, chiếm khoảng 50% trọng lượng khô), lipid (40%) và 1 ít polysaccharide • Màng tế bào chất thường ăn sâu vào tế bào chất tạo thành mạng lưới nội chất • Chức năng: điều hòa việc hấp thu dinh dưỡng và thải các sản phẩm trao đổi chất Màng tế bào chất • Nhân thật, kết cấu hoàn chỉnh, ổn định • Có màng nhân, gồm 2 lớp, có nhiều lổ thủng • Hình tròn hoặc bầu dục • Bên trong nhân có chứa Hạch nhân (nhân con) Nhiễm sắc thể: khác nhau tùy loài nấm men, phân chia theo kiểu gián phân (mitosis) hoặc đôi khi theo kiểu trực phân (amitosis) Protein, acid nucleic, enzyme, ribosome • Vai trò chủ yếu là mang thông tin di truyền chứa trong DNA Nhân tế bào • Có 1 hoặc nhiều không bào được hình thành từ thể Golgi hay mạng lưới nội chất • Chứa đầy dịc tế bào • Được bao bọc bởi màng lipoprotein gọi là màng không bào • Hình dạng thay đổi tùy theo tuổi và trạng thái sinh lý của tế bào • Vị trí không bào trong tế bào cũng rất thay đổi • Có tính thẩm thấu cao và là nơi tích lũy các sản phẩm trao đổi chất Không bào • Có hình bầu dục, hình cầu, hình sợi, kích thước 0,2-0,5 x 0,4-1 m luôn luôn di động và tiếp xúc với các cấu trúc khác của tế bào • Hình dạng và số lượng có thể thay phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy và trạng thái sinh lý tế bào Ti thể (Mitochondria) Cấu tạo • Cấu tạo chủ yếu từ hợp chất protein và lipid • Gồm 2 lớp màng: Màng trong: có nhiều nếp gấp hoặc ống nhỏ hình răng lược là tăng diện tích bề mặt Màng ngoài: chia thành nhiều lớp, chứa enzyme của chuỗi hô hấp và enzyme phosphoryl hóa • Trong ti thể có một lượng nhỏ DNA, gọi là DNA của ti thể. Ti thể (Mitochondria) Chức năng • Là trung tâm năng lượng của tế bào • Thực hiện các phản ứng oxy giải phóng điện tử • Tham gia tổng hợp ATP • Tham gia giải phóng năng lượng từ ATP và chuyển chúng thành dạng năng lượng cung cấp cho tế bào • Tham gia tổng hợp một số chất như protein, lipid, carbonhydrate, các chất này tham gia vào cấu tạo màng tế bào Ti thể (Mitochondria) • Ribosome ở nấm men gồm 2 loại: Loại 80S: tồn tại tự do trong tế bào chất Loại 70S: có trong ti thể *Loại 80S có hoạt tính tổng hợp protein mạnh hơn • Chứa 40-60% RNA và 60- 40 % protein Ribosome • Có một loại plasmid ở nấm men Saccharomyces cerevisiae gọi là ''plasmid 2 m'' có vai trò quan trọng trong thao tác chuyển gen của kỹ thuật di truyền • Loại plasmid này là một DNA vòng chứa 6300 cặp base Plasmid Sự sinh sản của nấm men Sinh sản bằng cách nảy chồi • Đây là hình thức sinh sản phổ biến nhất ở nấm men • Khi tế bào trưởng thành, nhân dài ra và thắt lại ở giữa. Trên tế bào mẹ bắt đầu phát triển 1 hoặc nhiều chồi con ở nhiều vị trí khác nhau • Mỗi tế bào con nhận 1 phần nhân và chất nguyên sinh từ tế bào mẹ • Khi chồi trưởng thành sẽ hình thành vách ngăn để tách ra khỏi tế bào mẹ và sống độc lập, hoặc dính trên tế bào mẹ và tiếp tục nảy các chồi mới tạo thành tập hợp tế bào nấm men dạng xương rồng hay còn gọi là khuẩn ti giả Sinh sản bằng cách nảy chồi • Hình thức sinh sản này tương tự ở vi khuẩn • Thường gặp ở các nấm men có sợi dài • Tế bào dài ra, ở giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con, mỗi tế bào con nhận 1 nhân Sinh sản bằng cách phân cắt • Bào tử bắn: ở chi Sporobolomyces, có hình thận, sinh ra trên 1 cuống nhỏ mọc ở các tế bào dinh dưỡng hình trứng Sau khi chín, bào tử này được bắn mạnh ra phía đối diện • Bào tử màng dày (bào tử áo): thường mọc ở đỉnh của khuẩn ti giả ở Candida albicans • Bào tử đốt: ở chi Geotrichum Sinh sản bằng bào tử • Gặp ở các chi Saccharomyces, Zygosaccharomyces, và nhiều chi nấm men khác thuộc bộ Endomycetales • Bào tử túi được sinh ra trong các túi • Hai tế bào khác giới (mang dấu + và -) đứng gần nhau sẽ mọc ra hai mấu lồi • Chúng tiến lại với nhau và tiếp nối với nhau • Chỗ tiếp nối sẽ tạo ra một lỗ thông và qua đó chất nguyên sinh có thể đi qua để phối chất • Nhân cũng đi qua để tiến hành phối nhân, sau đó nhân phân cắt thành 2, 4, 8 • Mỗi nhân được bọc bởi chất nguyên sinh rồi tạo thành màng dày chung quanh và hình thành các bào tử túi • Tế bào dinh dưỡng biến thành túi Sinh sản hữu tính bằng bào tử túi Túi được hình theo 1 trong 3 cách: • Tiếp hợp đẳng giao: do 2 tế bào nấm men có kích thước và hình dạng giống nhau tiếp hợp với nhau tạo thành • Tiếp hợp dị giao: do 2 tế bào nấm men có kích thước và hình dạng khác nhau tiếp hợp với nhau tạo thành • Sinh sản đơn tính: bào tử hình thành trực tiếp từ 1 tế bào riêng lẽ, không thông qua tiếp hợp Sinh sản hữu tính bằng bào tử túi Chu kỳ phát triển của Saccharomyces cerevisiae (a) 2 tế bào dinh dưỡng kết hợp với nhau. (b) Quá trình chất giao và nhân giao tạo ra tế bào lưỡng bội 2n. (c) Tế bào này nảy chồi sinh ra tế bào lưỡng bội khác. (d) Tế bào lưỡng bội chuyển thành bào tử túi. (e) Nhân bên trong túi bào tử phân chia 2 lần tạo thành 4 bào tử túi 1n. (f) Khi túi vỡ, các bào tử túi đơn bội chuyển thành tế bào dinh dưỡng 1n Chu kỳ phát triển của Zygosaccharomyces (a) 2 tế bào dinh dưỡng kết hợp với nhau. (b) Tế bào chất và nhân 2 tế bào hợp nhất lại tạo thành hợp tử 2n. (c) Hợp tử này chuyển thành túi, nhân lưỡng bội bên trong túi phân chia 2 lần tạo 4 nhân con 1n. (d) Bốn nhân con này phát triển thành 4 bào tử túi. (e) Túi vỡ và giải phóng bào tử ra ngoài. (f) Mỗi bào tử túi nảy chồi tạo thành 1 tế bào dinh dưỡng mới Phân loại nấm men Đặc điểm chung của nấm sợi • Nấm sợi còn được gọi là nấm mốc chỉ tất cả các loại nấm không phải nấm men và không sinh quả thể. Ở các giai đoạn chưa sinh quả thể, khuẩn ti của nấm lớn vẫn được coi là nấm sợi • Phát triển nhanh trên nhiều nguồn cơ chất hữu cơ khi gặp điều kiện nóng ẩm • Nhiều nấm sợi ký sinh gây bệnh trên người, động vật, thực vật • Một số nấm sợi sinh độc tố (Afflatoxin) • Tham gia vòng tuần hoàn vật chất, phân giải chất hữu cơ hình thành chất mùn • Nhiều loại nấm được sử dụng thực phẩm, dược phẩm, sản xuất sinh khối làm thức ăn cho người và gia súc Hình thái • Có kết cấu dạng sợi phân nhánh gọi là khuẩn ty (sợi nấm) • Sợi nấm là một ống hình trụ dài, có loại có vách ngăn ngang như các lớp nấm bậc cao (Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes) hoặc không vách ngăn thuộc về các nấm bậc thấp như Oomycetes và Zygomycetes • Tế bào cấu tạo hoàn chỉnh , kích thước lớn • Có thể là đơn bào đa nhân hoặc đa bào đơn nhân • Có nhiều màu sắc: đen (A. niger), trắng (Mucor, Rhizopus), xanh (Penicillin), đỏ (Neospora rassa) Mucor Trichoderma Rhizopus Cấu tạo • Sợi nấm được bao bọc bởi thành tế bào • Thành tế bào khác nhau tùy từng nhóm, đa số có chứa chitin, polysaccharide, lipid, protein, hexosamin, chất màu (melanin) • Màng tế bào chất dày 7µm, chứa lipid (40%), protein (38%) • Tế bào nấm mốc chứa các thành phần tương tự nấm men: nhân, lưới nội chất, bộ máy Golgi, không bào • Trong tế bào nấm còn chứa thể màng biên, ti thể Thể màng biên nằm giữa thành tế bào và màng tế bào chất, bao bọc bởi lớp màng đơn, hình dạng thay đổi Ti thể nấm mốc có hình elip, luôn di động Cấu tạo • Có 2 dạng sợi nấm Dạng sợi nấm có vách ngăn (a): đa số nấm mốc khuẩn ty thường có vách ngăn, ngăn cách 2 tế bào. Vách ngăn không hoàn toàm mà có 1 hay nhiều lổ thủng, tế bào chất và nhân có thể chui qua có tế bào có nhiều nhân, có tế bào không có nhân nào Dạng sợi nấm không có vách ngăn (b): ở các nấm bậc thấp, toàn bộ khuẩn ty là 1 sợi nấm phân nhánh, trong suốt, có nhiều nhân nằm rãi rác trong tế bào chất  cơ thể đa nhân Cấu tạo • Khi phát triển trên môi trường đặc, sợi nấm phân biệt 2 loại rõ rệt: Khuẩn ty cơ chất (khuẩn ty dinh dưỡng): phát triển sâu vào môi trường, hấp thu dinh dưỡng Khuẩn ty khí sinh: phát triển trên bề mặt môi trường. Từ khuẩn ty khí sinh, có 1 số sợi phát triển thành cơ quan sinh sản đặc biệt mang bào tử gọi là cuống bào tử Sinh sản của nấm mốc • Nấm sợi sinh sản bằng cách đứt đoạn sợi nấm, vừa bằng cách tạo bào tử vô tính hay hữu tính • Kết quả của sự sinh sản vô tính hay hữu tính sẽ sinh ra các loại bào tử khác nhau • Mỗi loại nấm mốc có thể cho ra một hay vài loại bào tử Bào tử vô tính Bào tử vô tính • Bào tử đốt (Actrospore): Các khuẩn ty sinh sản có sự ngắt đốt, mỗi một đốt được coi như một bào tử, rơi vào môi trường sẽ phát triển thành một khuẩn ty mới • Bào tử màng dầy (Chlamydospore): Trên các đoạn của khuẩn ty sinh sản xuất hiện các phần lồi hình tròn hay hơi tròn có màng dầy bao bọc • Bào tử nang (Sporangiospore): Trên các đoạn của khuẩn ty sinh sản phình to dần hình thành một cái bọc hay gọi là nang, trong bọc chứa nhiều bào tử • Bào tử đính (Conidium): Nhiều loài nấm có hình thức sinh sản này, các bào tử được hình thành tuần tự, liên tiếp từ khuẩn ty sinh sản. Phần lớn bào tử đính là nội sinh - được sinh ra từ bên trong Bào tử nang Rhizopus Bào tử màng dày Fusarium solani Bào tử đính Penicillin Bào tử đính Aspergillus (a) Chỗ cắt ngang hình thành tế bào mới (b)Bào tử đốt (c) Bào tử nang (d)Bào tử đính (e) Bào tử chồi Bào tử hữu tính • Được hình thành do sự sinh sản hữu tính (hiện tượng giao chất, giao nhân và phân bào giảm nhiễm) của nấm • Do cách thức sinh sản khác nhau mà tạo thành các loại bào tử khác nhau: Bào tử hữu tính • Bào tử noãn: Đầu tiên có sự xuất hiện noãn khí trên đỉnh các sợi nấm sinh sản Noãn khí chín trong chứa nhiều noãn cầu Hùng khí (là cơ quan giao tử đực) được sinh ra gần gần noãn khí sẽ tiến đến gần để tiếp xúc với noãn khí Sau khi tiếp xúc hùng khí sẽ sinh ra một hoặc vài ống xuyên chứa một nhân và một phần nguyên sinh chất thụ tinh cho một noãn cầu để tạo thành một noãn bào tử Noãn bào tử có màng bao bọc và sau một thời gian phân chia giảm nhiễm sẽ phát triển thành một khuẩn ty mới Oomycetes life cycle Saprolegnia parasitica life cycle Bào tử hữu tính • Bào tử tiếp hợp Khi hai khuẩn ty khác giống gần nhau sẽ xuất hiện hai mấu lồi được gọi là nguyên phôi nang (progametangia) Hai mấu lồi có sự tiếp xúc và xuất hiện vách ngăn tách hai phần đầu của hai mấu lồi thành hai tế bào đa nhân-hai tiểu giao tử tiếp hợp tạo thành một hợp tử có màng dầy bao bọc được gọi là bào tử tiếp hợp  Sau một thời gian sống tiềm tàng, bào tử tiếp hợp sẽ nẩy mầm phát triển thành một nang trong chứa nhiều bào tử Zygomycota life cycle Mucorales life cycle Bào tử hữu tính • Bào tử túi  Trên một khuẩn ty đơn bội sinh sinh ra hai cơ quan sinh sản là túi giao tử đực hình ống-hùng khí và túi giao tử cái hình thành ở một đầu của khuẩn ty, phía trên thể sinh túi có một ống dài gọi là sợi thụ tinh  Khi hùng khí tiếp xúc với sợi thụ tinh thì khối nguyên sinh chất chứa nhiều nhân của hùng khí sẽ qua sợi thụ tinh để vào thể sinh túi và nguyên sinh chất sẽ có sự phối hợp với nhau  Các nhân sắp xếp với nhau từng đôi một (đực, cái)  Trên thể sinh túi sẽ mọc ra nhiều sợi sinh túi, các nhân kép được chuyển vào trong các sợi sinh túi, từng phần sẽ phân chia nhiều lần và hình thành vách ngăn làm cho sợi sinh túi sẽ bị phân chia thành nhiều tế bào chứa nhân kép  Tế bào ở cuối sợi uốn cong lại  Nhân kép phân chia một lần tạo ra 4 nhân sau đó tế bào này tách ra thành 3 tế bào tế bào giữa chứa hai nhân, tế bào gốc và ngọn chứa 4 nhân  Tế bào giữa hình thành túi bào tử  Tế bào ngọn và gốc sau này sẽ tiếp hợp thành một tế bào hai nhân, sau đó phát triển thành một túi mới  Bào tử túi sẽ dài ra, hai nhân sẽ hợp thành một nhân lưỡng bội  Sau đó phân chia liên tiếp hai lần để tạo thành 8 nhân đơn bội  Các nhân kết hợp với một phần nguyên sinh chất và có màng bọc tạo thành bào tử túi  Tuy theo loại nấm mà số lượng, hình dạng, kích thước màu sắc bào tử túi sẽ khác nhau, khi bào tử thoát ra ngoài thì nẩy mầm The life cycle of an Acsomycete Bào tử hữu tính • Bào tử đảm Khi hai khuẩn ty đơn bội khác tính tiếp cận nhau thì trên một khuẩn ty sẽ xuất hiện một ống nối với khuẩn ty kia Nhân và nguyên sinh chất qua ống nối cũng được chuyển qua khuẩn ty ấy để tạo thành khẩn ty thứ cấp có chứa hai nhân Khi tế bào ở đầu khuẩn ty này chuẩn bị phân cắt thì đoạn giữa hai nhân xuất hiện một ống nhỏ mọc hướng về chồi gốc của tế bào  Một nhân sẽ chui vào trong ống và từng nhân phân chia tạo thành 4 nhân con Bào tử hữu tính • Bào tử đảm  Sau đó xuất hiện hai vách ngăn tạo ra 3 tế bào: Một tế bào hai nhân ở đỉnh  Một tế bào một nhân ở gốc  Một tế bào một nhân bên cạnh  Tế bào hai nhân sẽ phát triển thành đảm và hai tế bào kia sẽ kết hợp để tạo thành một tế bào hai nhân khác  Trong đảm hai nhân sẽ kết hợp với nhau, sau đó phân chia liên tiếp hai lần (lần đầu giảm nhiễm) thành 4 nhân con  Đảm phình to, phía trên xuất hiện 4 cuống nhỏ, sau đó mỗi nhân sẽ chui vào trong một thể bình và phát triển thành bào tử đảm Đảm có thể sinh ra trực tiếp trên đám khuẩn ty hoặc những cơ quan đặc biệt gọi là quả đảm The life cycle of a Basidiomycete Đặc điểm chung của virus • Kích thước siêu hiển vi, đơn vị đo bằng nm • Không có cấu tạo tế bào, chỉ chứa 1 loại acid nucleic (DNA hoặc RNA) được bao bọc bởi vỏ protein • Kí sinh nội bào bắt buộc, không trao đổi chất, không sinh sản trong môi trường dinh dưỡng bình thường, chỉ sinh sản nếu được nuôi trong tế bào sống. Vật chủ của virut bao gồm động vật, thực vật và vi khuẩn. Đặc điểm chung của virus • Tùy theo từng giai đoạn chức năng, virus có các tên gọi khác nhau: Virion (hạt virus): là dạng virus hoàn chỉnh, nhưng ở trạng thái bất hoạt vì sống ngoài tế bào chủ Vegetative virus (virus dinh dưỡng): là dạng acid nucleic của virus khi xâm nhập. Đây là dạng virus đang trong giai đoạn sinh sản trong tế bào Viroid (sợi virus): là virus không hoàn chỉnh chỉ có acid nucleic, không có vỏ protein, có khả năng gây bệnh Virus ôn hòa (provirus): acid nucleic của virus ở trạng thái kết hợp với nhiễm sắc thể của tế bào kí chủ, nhưng không phá hoại tế bào kí chủ Prion: chỉ chứa thành phần protein, không chưa 1 loại acid nucleic nào. Trong cơ thể bình thường có thể có sẵn prion nhưng không gây bệnh. Trong điều kiện nào đó, prion có thể thay đổi cấu trúc và gây bệnh Cấu trúc chung của virus Hình dạng của virus • Có 4 hình dạng: hình cầu, hình que, hình khối, hình tinh trùng Hình dạng một số virus điển hình Cấu tạo của virus • Thành phần chính gồm vỏ protein, acid nucleic, ở một số virus còn có một số thành phần khác như lớp màng bao bên ngoài Acid nucleic • Là thành phần quan trọng của mọi virus • Chứa thông tin di truyền của virus • Hầu hết virus thực vật chứa RNA, virus gây bệnh cho động vật và người một số chứa DNA, một số chứa RNA, thực khuẩn thể luôn lươn chứa DNA • DNA virus thường là DNA 2 sợi, một số virus có DNA 1 sợi • RNA virus thường là RNA 1 sợi, một số virus có RNA 2 sợi • Ở virus hình que, acid nucleic xoắn lại giống lò xo (acid nucleic có dạng sợi) • Ở virus hình khối, hình cầu và phần đầu của phage, acid nucleic cuộn tròn ở giữa (acid nucleic có dạng sợi) Vỏ protein (Capsid) • Bao bọc acid nucleic của virus • Có bản chất protein • Được tạo thành từ nhiều đơn vị capsome. Capsome được tạo thành từ những mạch peptide cuộn lại • Tập hợp capsid bao quanh acid nucleic được gọi là nucleocapsid Màng bao (envelop) • Ở 1 số virus, bên ngoài vỏ capsid còn có thêm màng bao • Màng bao thường là màng nhân, màng tế bào chất hoặc là màng của các không bào của vật chủ bị virus cải tạo thành và mang tính kháng nguyên đặc trưng cho virus Sự hình thành màng bao của virusVirus có màng bao và virus không có màng bao Các kiểu cấu trúc của virus • Tùy theo kiểu sắp xếp của capsid, virus có 3 kiểu cấu trúc: Cấu tạo của thực khuẩn thể (phage) Sinh nhân lên của virus động vật và thực vật • Có 5 giai đoạn Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virus Giai đoạn lắp ráp Giai đoạn phóng thích Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ • Virus bám vào bề mặt kí chủ nhờ có các thụ thể (receptor) tương ứng với thụ thể trên bề mặt tế bào • Việc hấp phụ chịu ảnh hưởng của các nhân tố nội ngoại cảnh Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ Sự xâm nhập của virus có màng bao (xem clip) Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ Sự xâm nhập của virus không có màng bao Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virus • Vật liệu dùng để tổng hợp các thành phần của virus do tế bào chủ cung cấp • Gồm 4 bước 1. Sao chép thông tin sớm: tổng hợp mRNA từ mật mã quy định trong acid nucleic của virus. 2. Tổng hợp protein sớm (protein không cấu trúc): các mRNA vừa được sao chép thực hiện sự tổng hợp các enzyme cần thiết cho quá trình sinh sản của virus: Enzyme ức chế: phong tỏa bộ máy di truyền của tế bào chủ Enzyme hoạt hóa: xúc tác quá trình tổng hợp DNA hay RNA của virus 3. Tổng hợp acid nucleic của virus 4. Tổng hợp protein muộn (protein không cấu trúc): tổng hợp các thành phần tạo nên lớp vỏ capsid và một số enzyme của virus • Các protein và glycoprotein (virus có màng bao) sẽ liên kết vào màng tế bào chất của tế bào chủ Giai đoạn lắp ráp • Các thành phần của virus lắp ráp lại tạo thành nucleocapsid • Ở virus có màng bao: capsid bao lấy acid nucleic rồi tiến gần đến màng tế bào chất của tế bào chủ để các protein và glycoprotein bao lấy chúng hình thành màng bao virus • Ở virus không có màng bao: capsid bao lấy acid nucleic rồi tiến gần đế màng tế bào chất của tế bào chủ Giai đoạn phóng thích Tế bào bị phá vỡ và virus thoát ra ngoài Virus được phóng thích theo kiểu nảy chồi (xem clip) Virus được phóng thích nhờ sự vận chuyển của màng TBC của tế bào chủ Giai đoạn phóng thích • Virus sau khi được tái tạo sẽ được phóng thích ra ngoài theo các cơ chế sau • Màng tế bào bị phá vỡ và virus chui ra khỏi tế bào • Virus tạo màng bao từ màng tế bào chất hay màng nhân của tế bào chủ và thoát ra ngoài theo kiểu nẩy chồi • Một số virus có thể truyền từ tế bào này sang tế bào khác mà không cần phóng thích ra ngoài môi trường. Hiện tượng này xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa tế bào nhiễm và tế bào lành tạo các cầu nối nguyên sinh chất • Một số virus thoát ra ngoài nhờ sự vận chuyển của màng tế bào chất của tế bào chủ Sinh nhân lên của thể thực khuẩn (phage) Chu trình tan Hấp thụ Xâm nhập Sao chép Lắp ráp Phage tiết enzyme lysozyme làm tan tế bào và thoát ra ngoài (xem clip) Chu trình tiềm tan Chu trình tiềm tan 1. Hấp thụ 2. Xâm nhập 3. Sao chép giai đoạn sớm 4. Sao chép giai đoạn sau 5. Lắp ráp 6. Phóng thích: phage tiết enzyme lysozyme phá vỡ lớp peptidoglycan làm tan tế bào vi khuẩn và thoát ra ngoài Chu trình tiềm tan 7. Phage gắn DNA vào DNA của vi khuẩn. Phage lúc này gọi là prophage 8. Prophage được sao chép cùng với DNA của VK 9. Do tác động nào đó, DNA của phage tách khỏi DNA vi khuẩn trở lại chu trình tan sinh sản các phage mới và thoát ra ngoài (xem clip) Nuôi cấy virus • Virus sống kí sinh nội bào bắt buộc, không phát triển được trong môi trường nhân tạo • Tùy từng loại virus có các phương pháp nuôi cấy khác nhau: Nuôi cấy trên động vật thí nghiệm Nuôi cấy trên phôi gà đang phát triển Nuôi cấy trên môi trường tế bào Sự xâm nhiễm của virus và ảnh hưởng lên tế bào chủ Nhu cầu dinh dưỡng của VSV • Trên 95% trọng lượng khô của tế bào được cấu thành từ những nguyên tố chủ yếu sau: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe. Những nguyên tố này cần thiết cho VSV ở hàm lượng lớn – được gọi là các nguyên tố đa lượng: C, H, O, N là thành phần của glucid, lipid, protein, acid nucleic K, Ca, Mg, Fe hiện hữu trong tế bào ở trạng thái cation (K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+/Fe3+) • Nguyên tố vi lượng là những nguyên tố VSV cần rất ít nhưng không thể thiếu (Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu), chúng tham gia vào thành phần các enzyme, coenzyme, xúc tác các phản ứng, duy trì cấu trúc protein • Nhu cầu đặc biệt khác Nhu cầu về C, H, O và các điện tử • Tất cả sinh vật đều có nhu cầu về nguồn C, H, O và electron cho sự tăng trưởng C, H, O cần thiết cho sự tổng hợp các chất hữu cơ Các điện tử (electrons) cần thiết cho chuyển động thông qua chuỗi vận chuyển điện tử và các phản ứng oxy hóa-khử cung cấp năng lượng cho hoạt động tế bào • Nhu cầu C, H, O thường được thỏa mãn cùng lúc • VSV rất linh động trong nhu cầu dinh dưỡng, có thể sử dụng tất cả các chất hữu cơ thiên nhiên, thậm chí 1 số chất nhân tạo khó phân hủy (thuốc trừ sâu) Các kiểu dinh dưỡng của VSV • Dựa vào nhu cầu về năng lượng VSV quang dưỡng (Phototroph) VSV hóa dưỡng (Chemotroph) • Dựa vào nhu cầu về nguồn carbon VSV tự dưỡng (Autotroph) VSV dị dưỡng (Heterotroph) • Dựa vào nhu cầu nguồn cung cấp hydrogen hay điện tử VSV dinh dưỡng vô cơ (Lithotroph) VSV dinh dưỡng hữu cơ (Organotroph) Các kiểu dinh dưỡng của VSV Nhu cầu về N, P, S • N cần thiết cho sự tổng hợp các acid amin, purin, pyrimidin, lipid, glucid, coenzyme và các chất khác Phần lớn VSV sử dụng được N từ acid amin Một số khác dung nạp ammonia nhờ hoạt động của các enzyme như glutamate dehydrogenase, hay glutamine synthetase và glutamate synthase Hầu hết VSV phototroph và VSV không quang hợp có khả năng khử nitrate thành ammonia Một số vi khuẩn (cyanobacteria, Rhizobium) có khả năng khử và đồng hóa N2 thành ammonium  cố định đạm Nhu cầu về N, P, S • P hiện diện trong acid nucleic, phospholipid, nucleotide như là ATP, các coenzyme, vài protein và các thành phần khác của tế bào Hầu hết VSV sử dụng được nguồn phosphate vô cơ như là nguồn P và hấp thụ trực tiếp vào tế bào Vài VSV (E. coli) đòi hỏi nguồn P hoạt hóa lấy từ môi trường • S cần thiết cho sự tổng hợp các cơ chất như cystein methionin, vài glucid, biotin và thiamin Hầu hết VSV sử dụng sulfate như nguồn S sau khi khử sulfate Một vài VSV yêu cầu S ở dạng khử như cystein Nhu cầu về các yếu tố tăng trưởng • Một phần lớn các VSV do thiếu 1 hoặc nhiều enzyme thiết yếu nên không thể tổng hợp được tất cả các thành phần cần thiết cho cơ thể, phải thu nhận từ bên ngoài • Yếu tố tăng trưởng là những thành phần hóa học thiết yếu của tế bào, hay tiền chất của chúng mà tế bào không tổng hợp được • Có 3 loại chủ yếu  Acid amin: cần thiết cho việc tổng hợp protein  Purin và pyrimidin: cần cho sự tổng hợp acid nucleic  Vitamin: là những thành phần hữu cơ nhỏ cấu thành các coenzyme hay 1 phần của coenzyme. Vitamin cần 1 lượng rất nhỏ cho sự tăng trưởng Sự hấp thu các chất dinh dưỡng • Màng tế bào hấp thu dinh dưỡng có chọn lọc, chỉ những chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào mới được hấp thu qua màng • Các cơ chế vận chuyển chất dinh dưỡng qua màng: Khuếch tán thụ động (passive diffusion) Khuếch tán dễ dàng (facilitated diffusion) Vận chuyển chủ động (active transport) Chuyển nhóm (group translocation) Hấp thu sắt (iron uptake) Khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản) • Chất dinh dưỡng di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp • Nồng độ cơ chất bên ngoài phải cao hơn trong tế bào • Vận tốc khuếch tán giảm dần đến khi nồng độ chất tan bên trong và bân ngoài tế bào cân bằng • Chỉ có nước và một số chất tan trong nước và lipid (glycerol) mới đi vào tế bào bằng khuếch tán thụ động Khuếch tán dễ dàng Khuếch tán dễ dàng • Vận tốc khuếch tán sẽ tăng mạnh nhờ có các protein vận chuyển (permerases) • Mỗi permerase sẽ chọn lọc và chỉ vận chuyển những chất hòa tan tương ứng • Sự di chuyển cơ chất qua màng nhờ gradient nồng độ, không cần năng lượng • Sau khi liên kết với 1 phân tử chất hòa tan tương ứng, permerase thay đổi hình dạng và mang chất tan vào trong tế bào (hình a), sau đó permerase phục hồi hình dạnh an đầu và tiếp tục vận chuyển 1 phân tử khác (hình b) Vận chuyển chủ động • Sự vận chuyển các chất tan đi ngược với gradient nồng độ nhờ sử dụng năng lượng biến dưỡng từ ATP • Cơ chế vận chuyển nhờ protein vận chuyển (permerase) • Các chất tan có hình dạng tương tự cạnh tranh nhau liên kết với permerase để đi vào trong tế bào • Ở VK G-, các permerase nằm ở khoảng không chu chất giữa màng tế bào chất và vách tế bào. Ở VK G+, các permerase gắn trên các lipid màng ở bề mặt ngoài của màng tế bào chất. Permerase có liên quan đến hiện tượng hóa hướng động. E. coli sử dụng cơ chế này để vận chuyển các loại đường và acid amin Vận chuyển chủ động • ATP-binding cassette transporters (ABC transporter) là ví dụ quan trọng của hệ thống vận chuyển chủ động, được tìm thấy ở vi khuẩn, cổ khuẩn và các eukaryote Vận chuyển chủ động sử dụng gradient ion và proton Chuyển nhóm • Trong vận chuyển chủ động, chất tan đi qua màng không bị biến đổi. Các hệ thống vận chuyển khác như chuyển nhóm, chất tan bị biến đổi khi qua màng tế bào • Sử dụng năng lượng biến dưỡng trong quá vận chuyển • Đa số prokaryote có thể sử dụng cơ chế này để vận chuyển phân tử cơ chất • Hệ thống chuyển nhóm được biết đến nhiều nhất ở VK là sugar phosphotransferase system (PTS). Chuyển nhóm • PTS vận chuyển các loại đường bằng cách phosphoryl chúng, sử dụng phosphoenolpyruvate (PEP) như chất cho phosphate PEP + sugar (bên ngoài)  pyruvate + sugar-phosphate (bên trong) Hấp thu sắt • Hầu hết VSV đều cần sắt cho hệ thống cytochrome và các enzyme. • Việc hấp thu sắt không dễ dàng vì Fe3+ và các dẫn xuất của nó khó hòa tan • Nhiều VK và nấm tiết siderophores để tập hợp các ion Fe lại và cung cấp cho tế bào Cấu tạo hóa học các chất thu nạp sắt Khái niệm chung • Trao đổi chất là tổng hợp các phản ứng hóa học do tế bào thực hiện để cung cấp vật liệu xây dựng tế bào và cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của tế bào • Quá trình biến đổi chất dinh dưỡng trong tế bào gồm các giai đoạn: Catabolism (dị hóa): phân cắt chất dinh dưỡng thành các phân tử đơn giản hơn, và giải phóng NL Anabolism (đồng hóa): tế bào tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào từ các sản phẩm trung gian và sản phẩm của quá trình dị hóa. Quá trình này cần cung cấp NL Khái niệm chung • Các quá trình oxy hóa – phân hủy kèm theo giải phóng năng lượng cần cho hoạt động sống của tế bào  quá trình trao đổi năng lượng • Năng lượng được tích lũy trong các hợp chất cao năng: nucleosine triphosphate (ATP, CTP, UTP), các dẫn xuất của acid carbonic (Acetyl-CoA..) (xem clip) Quá trình tạo năng lượng ở VSV • Các con đường phân giải carbonhydrate Con đường Embden-Meyerhof (EMP) – hay glycoside Con đường Pentose phosphate Con đường Entner-Doudoroff (ED) • Hô hấp hiếu khí • Hô hấp kị khí • Các quá trình lên men Con đường EMP (đường phân) (xem clip ) Con đường Pentose phosphate Con đường ED • Là quá trình oxy hóa – khử các chất hữu cơ hoặc vô cơ để lấy năng lượng trong điều kiện có oxy (O2), trong đó oxy là chất nhận điện tử cuối cùng. • Sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và năng lượng • Có liên quan đến các quá trình sau: Các con đường phân giải chất hữu cơ tạo thành pyruvate Pyruvate đi vào chu trình tricarbocylic acid (TCA – chu trình Krebs) tạo thành NADH, FADH2 NADH và FADH2 sau đó được chuyển thành các electron và đi vào chuỗi vận chuyển điện tử (electron transport chain - ETC) Hô hấp hiếu khí • Dựa vào quan hệ với oxy của VSV: VSV hô hấp hiếu khí VSV hô hấp kị khí bắt buộc VSV hô hấp kị khí tùy ý (xem clip 1) (xem clip 2) Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp) • ETC có ở màng tế bào chất ở Prokaryote (b) và màng trong ti thể của Eukaryote (a) Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp) (xem clip 1) (xem clip 2) Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp) • Là phức hợp 1 dãy các chất vận chuyển điện tử hoạt động đồng thời để chuyên chở điện tử từ các chất cho điện tử (NADH, FADH2) đến chất nhận điện tử (O2), cuối cùng kết hợp O2 và H+ tạo thành H2O • Thành phần chuỗi vận chuyển điện tử: Flavoprotein: nhận điện tử từ NADH  Iron-sulfur (Fe-S) protein (nonheme protein) Coenzyme Q Cytochrom Cytochrom oxydase • Một số cytochrom oxydase vận chuyển H2 đến O2 tạo thành H2O2: H2 + O2  H2O2 H2O2 là chất độc đối với tế bào, lập tức bị phân hủy bởi catalase và peroxydase • Là sự oxy hóa các chất không hoàn toàn • Sản phẩm cuối cùng gồm các sản phẩm trung gian của chu trình TCA: acid acetic, acid citric, acid lactic và các chất hữu cơ khác • Năng lượng giải phóng thấp hơn hô hấp hiếu khí hoàn toàn • Được ứng dụng để sản xuất các chất hữu cơ Hô hấp hiếu khí không hoàn toàn Hiện tượng phát sáng ở VSV • Là quá trình oxy hóa - khử các chất dinh dưỡng tạo năng lượng trong điều kiện thiếu oxy • Chất nhận điện tử cuối cùng là chất vô cơ có oxy (nitrate, sulfate, carbonate) • Dựa vào khả năng khử cơ chất hữu cơ: Hô hấp nitrate Hô hấp sulfate Hô hấp kị khí Hô hấp nitrate • Các VK kị khí tùy ý, một số có khả năng khử nitrate thành ammoniac (amon hóa nitrate), một số khác khử nitrate giải phóng nitơ phân tử (phản nitrate) NH2OH  NH3 NO3-  NO2- NO-  N2O  N2 Hô hấp sulfate (phản sulfate) • Một số VK kị khí bắt buộc sử dụng sulfate là chất nhận điện tử cuối cùng, tạo thành H2S • Một số VK có khả năng oxy hóa H2 trong điều kiện kị khí bằng cách sử dụng CO2 hoặc carbonate là chất nhận điện tử cuối cùng. Kết quả CO2 sẽ bị khử thành methane: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Quá trình khử CO2 thành methan • Là quá trình quá trình phân giải carbonhydrate trong điều kiện kị khí • Chất nhận điện tử là pyruvate hoặc dẫn xuất của pyruvate • Có sự oxy hóa NADH thành NAD+ Quá trình lên men Sự oxy hóa NADH trong quá trình lên men • Là quá trình quá trình phân giải carbonhydrate trong điều kiện kị khí • Chất nhận điện tử là pyruvate hoặc dẫn xuất của pyruvate • Có sự oxy hóa NADH thành NAD+ Quá trình lên men Một số kiểu lên men ở VSV Quá trình tạo năng lượng ở VSV tự dưỡng hóa năng • Các VSV tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa các chất vô cơ trong môi trường như: khí H2, các hợp chất lưu huỳnh dạng khử (S0, H2S, S2O32-), các hợp chất nitơ dạng khử (NH4+, NO2-), các hợp chất sắt dạng khử (Fe2+) • Phương trình tổng quát: Năng lượng do phản ứng hóa học 6H2 + 2O2 + CO2 [CH2O] + 5 H2O Chất hữu cơ • Một số VK và xạ khuẩn có khả năng oxy hóa H2 tạo thành nước và năng lượng cung cấp cho cơ thể  VSV hydro. H2 + ½ O2  H2O + năng lượng • Trong điều kiện kị khí, VK sử dụng các chất nhận điện tử như: NO3-, SO42- 5H2 + 2NO3-  4H2O + N2 + 2OH- + năng lượng 4H2 + SO42-  4H2O + H2S + 2OH- + năng lượng Quá trình oxy hóa H2 Quá trình oxy hóa lưu huỳnh và hợp chất lưu huỳnh • VK lưu huỳnh: chứa các giọt lưu huỳnh trong tế bào H2S + ½O2  S + H2O + năng lượng S sinh ra được tích lũy trong tế bào chất, khi môi trường không còn H2S, VK sử dụng S dự trữ 2S + 3O2 + H2O 2H2SO4 + năng lượng • Vi khuẩn sulfate: oxy hóa S và các hợp chất chứa S dạng khử (S0, H2S, S2O32-). VK sulfate chỉ có 1 giống là Thiobacillus Quá trình oxy hóa sắt • VK sắt (Ferrobacteria) có khả năng oxy hóa các hợp chất sắt dạng khử (Fe2+ Fe3+) tạo năng lượng 2FeCO3 + 1/2O2 + 3H2O  2Fe(OH)3 + 2CO2 + năng lượng • Một số VK có khả năng oxy hóa các hợp chất nitơ dạng khử (NH4+, NO2-) tạo năng lượng VK nitrate hóa • Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn, mỗi giai đoạn do 1 nhóm VSV chuyện biệt đảm trách  Nitrite hóa: 2NH4+ + ½ O2  NO2- + 2H+ + năng lượng. VSV tham gia: Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrospira  Nitrate hóa: NO2- + ½ O2  NO3- + năng lượng. VSV tham gia: Nitrobacter, Nitrococcus Quá trình oxy hóa nitrate • VK quang hợp nhờ có chứa các sắc tố quang hợp như bacteriochloroplyll và các sắc tố carotenoic • Quá trình quang hợp ở VK khác cây xanh: Sản phẩm sau phản ứng không phải oxy mà là lưu huỳnh hoặc hợp chất của lưu huỳnh Không sử dụng H2O làm chất cho điện tử Chất cho điện tử: H2S, S, S2O3- hay các chất hữu cơ Quá trình tạo năng lượng ở VK quang hợp Quá trình tạo năng lượng ở VK quang hợp (xem clip 1) (xem clip 1) Quá trình cấu trúc tế bào Tất cả phân tử (monomers) cần thiết cho sự tổng hợp các thành phần của tế bào (macromolecules) có nguồn gốc từ các sản phẩm trung gian của quá trình glycolysis và chu trình TCA • Chu trình Calvin (hình a) • Chu trình TCA khử (Reductive TCA) (hình b) • Con đường Hydroxypropionate (hình c) • Con đường Acetyl-CoA (hình d) Các quá trình cố định CO2 (a) (b) (c) (d) • Các nguồn nitơ: NH4+ NO3- N2 Chất hữu cơ Quá trình đồng hóa nitơ (nitrogen assimilation) Chuyển thành NH4+ Các chất hữu cơ trung gian Tổng hợp carbamoyl-phosphate Glutamine synthetase Glutamate synthetase Khử nitrate (nitrate reduction) Đồng hóa amon (ammonia incorporate) Đồng hóa ammonia Tổng hợp glutamine và glutamate Đồng hóa amon nhờ glutamine synthetase và glutamate synthetase Phản ứng chuyển nhóm amin nhờ enzyme aminotransferase Sự tổng hợp Carbamoyl-phosphate Cố định nitơ (nitrogen fixation) Quá trình khử N2 thành NH3 nhờ enzyme nitrogenase • S là thành phần của methionine, cysteine, coenzyme A, biotin, thiamin, protein Fe-S • Quá trình đồng hóa chuyển SO42- thành S2- Quá trình đồng hóa lưu huỳnh (sulfur assimilation) Sinh tổng hợp acid amin • Bộ khung carbon của các acid amin (aa) là những sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi năng lượng. Nhóm amin được thêm vào nhờ quá trình amin hóa hoặc chuyển amin trực tiếp • Các nitơ vô cơ muốn chuyển thành hợp chất nitơ hữu cơ phải được khử thành NH4+ • Các aa nhận nhóm amin từ NH4+ vô cơ gọi là aa sơ cấp • Các aa nhận nhóm amin từ chất hữu cơ (chuyển amin trực tiếp) gọi là aa thứ cấp Sinh tổng hợp acid amin Sự tổng hợp aa sơ cấp Sự tổng hợp aa thứ cấp • Sự hoạt hóa aa: xem clip  aa kết hợp với ATP và enzyme aa-RNAm-synthase tạo thành hợp chất cao năng aminoacyl~AMP-enzyme Hợp chất cao năng được liên kết RNAt và đưa vào ribosome. Thường aa được đưa vào đầu tiên là Methionin • Sự tổng hợp protein: xem clip, translation termination Sinh tổng hợp protein • Purin và pyrimidin là những thành phần quan trọng tạo nên acid nucleic. Sinh tổng hợp nucleotide (a) (b) (a) Sự tổng hợp purin (b) Adenosine monophosphate và Guanine monophosphate (c) (d) (c) Sự tổng hợp pyrimidin (d) Sự tổng hợp Deoxythymine monophosphate 1. Sự tổng hợp các monosaccharide Sinh tổng hợp polysaccharide 2. Sự tổng hợp các polysaccharide • Chuỗi saccharide sẵn có được kéo dài nhờ gắn thêm 1 monosaccharide (kí hiệu X). X tham gia phản ứng ở dạng nucleotide-X được hoạt hóa (thường là Uridine diphosphate, UDP) UDP-X X-X-X-X + UDP-X  X-X-X-X-X + UDP • Polysaccharide gồm 2 loại monosaccharide liên tiếp (X và Y): Bước 1: X-Y-X-Y + UDP-X X-Y-X-Y-X + UDP Bước 2: X-Y-X-Y-X + UDP-Y X-Y-X-Y-X-Y + UDP Sinh tổng hợp polysaccharide Sinh tổng hợp peptidoglycan Peptidoglycan ở VK G+ và G- Sinh tổng hợp peptidoglycan xem clip Sinh tổng hợp lipid ACP: Acyl carrier Protein 1. Tổng hợp acid béo 2. Tổng hợp glycerol-P 3. Tổng hợp lipid Glycerol-P + acid béo  phospholipid Tổng hợp Triacylglycerol và Phospholipid Sinh tổng hợp lipid Sinh trưởng và phát triển ở VSV • Phát triển: tăng về kích thước và khối lượng tế bào • Sinh trưởng: tăng về số lượng tế bào. Ở VSV, khi nói đến sinh trưởng là sinh trưởng của quần thể • Thời gian thế hệ: thời gian cần thiết cho số lượng tế bào nhân đôi Đường cong tăng trưởng (growth curve) • Phase lag (phase mở đầu – lag phase) Tính từ lúc VSV được nuôi cấy tới khi đạt tốc độ sinh trưởng cực đại Tế bào tổng hợp các thành phần mới Không có sự phân chia tế bào Độ dài phase phụ thuộc: tuổi giống, mật độ giống cấy, thành phần môi trường Các giai đoạn tăng trưởng • Phase log (phase cấp số - exponetial phase) VSV sinh trưởng và phân chia đạt tốc độ cực đại, số lượng tế bào sống tăng theo lũy thừa Tốc độ tăng trưởng không đổi trong suốt phase • Phase ổn định (stationary phase) Quần thể VSV đạt trạng thái cân bằng động học, số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi Nguyên nhân: giới hạn dinh dượng, tích tụ các sản phẩm trao đổi chất gây độc • Phase tử vong (death phase) Số tế bào sống giảm theo lũy thừa Nguyên nhân: cạn kiệt dinh dưỡng, tích lũy sản phẩm trao đổi chất Các giai đoạn tăng trưởng Sinh trưởng kép - Khi chuyển các tế bào đang tăng trưởng ở phase lag sang môi trường mới khác môi trường trước đó vẫn thấy xuất hiện phase lag - Thường gặp khi nuôi VK trên môi trường có nguồn C là hỗn hợp gồm 2 chất hữu cơ khác nhau • Đo sinh khối VSV: cân khối lượng (nấm sợi) hoặc đo mật độ quang (OD) (vi khuẩn) • Đếm trực tiếp số lượng tế bào bằng buồng đếm Petroff-Hausser (đếm cả tế bào sống và chết) • Đếm khuẩn lạc (đếm tế bào sống) Đo sự sinh trưởng 1. Thu tế bào trong môi trường lỏng bằng cách ly tâm 2. Rửa sạch 3. Làm khô 4. Cân trọng lượng Cân khối lượng sinh khối Đo OD Đếm trực tiếp bằng buồng đếm Đếm tế bào sống Đếm tế bào sống • 2 kiểu chính: chemotast và turbidostast Nuôi cấy liên tục (continuous culture) Hệ thống nuôi cấy liên tục Chemotast Hệ thống nuôi cấy liên tục Chemotast (trái) và Tubidostat (phải) • pH • Nhiệt độ • Oxy • Nước Một số yếu tố ảnh hưởng sự tăng trưởng của VSV • Là đại lượng đo độ hoạt động của ion H+ trong 1 dung dịch • Mỗi loài VSV chỉ sống được trong khoảng pH nhất định, và có 1 giá trị tối ưu cho tăng trưởng Nhóm ưa acid (acidophiles): pH 0 – 5.5 Nhóm ưa trung tính (neutrophiles): pH 5.5 – 8.0 Nhóm ưa kiềm (alkalophiles): pH 8.0 – 11.5. Nhóm cực ưa kiềm (extreme alkalophiles): pH 10 hoặc lớn hơn • pH nội bào của đa số VSV gần trung tính Một số yếu tố ảnh hưởng sự tăng trưởng của VSV pH Oxy • Có 3 mức nhiệt sinh trưởng: nhiệt tối thiểu, nhiệt tối đa và nhiệt tối ưu Nhóm ưa lạnh (Psychrophile): 0 – 15oC Nhóm ưa lạnh tùy ý (Psychrotroph hay facultative psychrophile): sống được ở 0 – 7oC dù nhiệt độ tối thích là 20-30oC và tối đa 35oC Nhóm ưa ấm (Mesophile): 20-45oC Nhóm ưa nóng (Thermophile): 55-85oC Nhóm cực ưa nhiệt (Hyperthermophile): 85-113oC Nhiệt độ • VSV có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nồng độ thẩm thấu của môi trường xung quanh: Trong môi trường nhược trương: nước từ ngoài đi vào trong tế bào  áp lực tăng. Phần lớn VK, tảo, nấm có vách tế bào cứng để duy trì tế bào Trong môi trường ưu trương: nước trong tế bào đi ra ngoài co nguyên sinh • VSV có thể đáp ứng với sự thay đổi nồng độ thẩm thấu của môi trường bằng cách tích lũy các chất hòa tan tương hợp (compatible solutes) Nước • Phenol và các dẫn xuất: sát trùng dụng cụ • Ethanol: khử trùng bề mặt, sát trùng da • Methanol: diệt khuẩn kém hơn ethanol • Halogen: clo, iot • Kim loại nặng: bạc, thủy ngân, đồng • Xà phòng, các chất tẩy rửa tổng hợp • Oxy già (H2O2) Một số chất diệt khuẩn (sát trùng) • Là các chất hóa học có tác dụng độc đối với VK nhưng không gây hại cho cơ thể bậc cao • Cơ chế: dựa vào sự tương tự về cấu trúc của các chất này với các chất VK cần để tạo thành các coenzyme, protein, acid nucleic. Các chất hóa trị liệu cạnh tranh vị trí gắn trên enzyme và kìm hãm nhiều phản ứng quan trọng • Được sử dụng để điều trị các bệnh • Ví dụ: sulfonamide, hydrazide Một số chất hóa trị liệu • VSV có cấu tạo tế bào đơn giản, nhân thường ở thể đơn bội • Nhân của VK (cũng như virus) chỉ là 1 sợi NST trần, không có màng nhân bao bọc  dễ dàng trong phân tích cấu trúc DNA • Chu kỳ sinh sản ngắn  thuận lợi trong nghiên cứu các quy luật di truyền • Dễ dàng tạo ra các chủng đột biến có lợi cho sản xuất Các đặc điểm di truyền của VSV • Là sự thay đổi tạm thời những đặc tính (hình thái hay tính chất sinh lý) • Mang tính thường xuyên và thuận nghịch • Có liên quan đến các giai đoạn tăng trưởng của VSV, hay sự nuôi dưỡng VSV trong các điều kiện lý hóa khác nhau Những biến đổi không di truyền của VSV • Đột biến • Hiện tượng truyền thông tin di truyền ở vi khuẩn • Tái tổ hợp gene Những biến đổi có di truyền của VSV • Là những biến đổi bất thường trong vật chất di truyền dẫn đến sự biến đổi đột ngột của một hoặc một số tính trạng • Nguyên nhân: Do tác nhân của môi trường ngoài cơ thể Do nguyên nhân bên trong cơ thể • Tính chất: không định hướng, có tính di truyền và không liên tục Đột biến • Dựa vào tác nhân gây đột biến: Đột biến ngẫu nhiên Đột biến nhân tạo (cảm ứng) • Dựa vào kiểu biến đổi cấu trúc gen: Đột biến điểm Đột biến đoạn (xem clip) Phân loại đột biến • Tách tế bào đột biến ra khỏi quần thể • Dùng môi trường nuôi cấy có tính chọn lọc, chỉ VK đột biến mọc được Chọn lọc đột biến • Ở VSV thường xảy ra hiện tượng biến đổi hình thái hay kiểu trao đổi chất để thích nghi với môi trường mới. • Con người có thể ứng dụng hiện tượng này để huấn luyện VSV Sự thích nghi • Biến nạp (transformation) • Tải nạp (transduction) • Tiếp hợp (conjugation) Truyền thông tin di truyền ở VSV • Là sự biến đổi tính trạng của vi khuẩn dưới ảnh hưởng của sự xâm nhập 1 đoạn DNA lạ từ môi trường bên ngoài. Đoạn DNA này được phóng thích từ 1 tế bào VK khác (VK cho DNA) • Cơ chế: (xem clip 1) (xem clip 2) Biến nạp • Là sự truyền vật liệu di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua trung gian của thực khuẩn thể (bacteriophage, phage). Phage đóng vai trò là phage tải nạp • Cơ chế: (xem clip 1) Tải nạp Tải nạp chung Tải nạp đặc hiệu • Là sự truyền vật liệu di truyền DNA theo một chiều từ VK cho (VK đực, F+) đến VK nhận (VK cái, F-) bằng sự tiếp xúc trực tiếp giữa 2 VK, để tạo ra 1 nòi lai mang đặc tính của VK nhận và 1 phần đặc tính của VK cho • Cơ chế: (xem clip 1), (xem clip 2), (xem clip 3) Tiếp hợp • (xem clip 1) • (xem clip 2) Gene nhảy (transposon) • Tách gene mong muốn ra khỏi tế bào cho • Gắn gene này vào 1 vector • Đưa vector vào tế bào VK nhận (E. coli). Tế bào nhận sẽ tăng sinh tạo nên quần thể tế bào mang gene mong muốn • (xem clip), (xem clip) Tái tổ hợp gene • Sinh thái học (ecology): cứu về sự phân bố và sinh sống của những sinh vật sống và các tác động qua lại giữa các sinh vật và môi trường sống của chúng • Sinh thái học VSV: nghiên cứu về VSV ở khía cạnh sinh thái • Mục tiêu của sinh thái học VSV: + Nghiên cứu sự đa dạng sinh học (chủng loại, số lượng) của VSV trong tự nhiên, sự tương tác của các quần dưỡng khác nhau trong quần xã + Nghiên cứu hoạt tính của VSV trong tự nhiên và giám sát tác động của VSV lên hệ sinh thái. Các khái niệm cơ bản • Ý nghĩa của nghiên cứu sinh thái học VSV: + Hiểu được tương tác của VSV với nhau và với môi trường, + Hiểu vai trò của VSV trong điều kiện tự nhiên của các hệ sinh thái • Vai trò của VSV trong hệ sinh thái: + Thu lấy năng lượng ánh sáng, cố định đạm, cố định CO2, tạo O2,phân hủy chất hữu cơ + Là tác nhân chính thực hiện các phản ứng trong chu trình sinh địa hóa các nguyên tố cần cho sự sống + Là tác nhân giúp phân hủy độc chất, phục hồi môi trường Các khái niệm cơ bản • Habitat: môi trường sống nơi các quần thể, quần dưỡng hình thành quần xã • Niche: vi môi trường tối ưu cho sự tăng trưởng của VSV • Vi môi trường (microenvironment) là nơi mà VSV thực tế sống và biến dưỡng: + Các điều kiện hóa lý của vi môi trường biến đổi rất nhanh theo không gian và thời gian + Trong một không gian vật lý hẹp có sự tồn tại nhiều vi môi trường khác nhau + Tính không đồng nhất của vi môi trường quyết định tính đa dạng của VSV Môi trường sống của VSV trong tự nhiên • Các bề mặt màng được dùng làm nơi sống của VSV, có các chất dinh dưỡng bám vào, ở đó các VSV bám vào và sẽ chuyển hóa các chất tốt hơn nhiều so với trong nước tự do do hiệu quả của sự hấp phụ. • Chất dinh dưỡng là nhân tố hạn chế tốc độ tăng trưởng trong hầu hết các môi trường tự nhiên và được cung cấp ở dạng ngẫu nhiên. • VSV thường hiện diện trên bề mặt một giá thể do nồng độ chất dinh dưỡng giới hạn ở đây cao hơn tạo thành màng sinh học (biofilm) hoặc tập hợp các khuẩn lạc của các quần thể khác nhau. • (xem clip sự hình thành màng sinh học) Màng sinh học (biofilm) • Tăng trưởng hàm mũ thường ngắn • Tốc độ tăng trưởng nhỏ hơn rất nhiều so với nuôi cấy thuần chủng trong phòng thí nghiệm • Tốc độ tăng trưởng chậm do: + Nguồn chất dinh dưỡng thấp + Phân bố chất dinh dưỡng không đồng đều + Bị cạnh tranh bởi các quần thể khác Tăng trưởng của VSV trong tự nhiên • Tế bào • Quần thể (population): tập hợp các tế bào cùng loài, được hình thành do sự tăng trưởng của các tế bào riêng biệt trong một vi môi trường nhất định • Quần dưỡng (guild): tập hợp các quần thể khác loài có đặc tính chung về nguồn chất dinh dưỡng, các yếu tố hoá lý trong một vi môi trường • Quần xã, hệ VSV (community): tập hợp nhiều quần dưỡng cùng hiện diện trong một điều kiện môi trường, tiến hành những quá trình sinh lý bổ trợ nhau để cùng tăng trưởng • Hệ sinh thái (ecosystem): nhiều quần xã đựợc hình thành có mối quan hệ với nhau về năng lượng và vật chất Các mức tổ chức của VSV trong tự nhiên Vai trò của VSV trong các chu trình sinh địa hóa Chu trình carbon - Chu trình C có quan hệ chặt chẽ với chu trình O thông qua họat tính bổ trợ của các sinh vật tự dưỡng (cố định CO2 tạo O2) và sinh vật dị dưỡng (phóng thích CO2, tiêu thụ O2) - Các nguồn dự trữ C trong tự nhiên: khí quyển, đất, đại dương, trầm tích, đá và sinh khối - Tốc độ lưu chuyển C qua các dự trữ rất khác nhau, tốc độ cao nhất là giữa khí quyển và sinh khối do các phương thức cố định CO2 của tự dưỡng và hô hấp hữu cơ hiếu khí của dị dưỡng - Sự chuyển hóa C qua thế khử khác nhau CH4, (CH2O)n, CO2 trong điều kiện có và không có oxygen đều có sự tham gia của VSV Chu trình C trong tự nhiên Chuyển hóa C trong điều kiện có và không có oxy không khí Phân hủy hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy không khí • Nitơ là một nguyên tố thiết yếu trong sinh chất • Trong tự nhiên hiện diện ở các thế khử khác nhau: NH3, NH2-, N, N2O, NO, NO2-, NO3-. • Dự trữ nitơ quan trọng nhất là N2 trong khí quyển • Sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng này cần có vai trò của vi sinh vật Chu trình nitơ Chu trình nitơ trong tự nhiên • Lưu huỳnh tồn tại chủ yếu ở ba dạng thế khử S2-, S0 và S6+ • Dự trữ chủ yếu ở dạng CaSO4 và FeS2 • Các phản ứng chuyển hóa các dạng của S là do VSV và các phản ứng hóa chất • Oxy hóa lưu huỳnh bởi VSV thành SO42- và H+ làm giảm pH Chu trình lưu huỳnh Chu trình lưu huỳnh • Hai dạng thế khử chính của sắt trong tự nhiên là Fe2+ và Fe3+ phụ thuộc vào pH và O2 • Fe3+: chỉ tan trong nước ở pH axít hoặc ở dạng phức hợp với các hợp chất hữu cơ; bị khử thành Fe2+ bằng phản ứng hóa học hoặc bởi VSV • Fe2+ bị oxygen hóa bởi O2 thành Fe3+ + Bền trong điều kiện không có O2 hoặc trong môi trường có O2 ở pH acid + Trong không khí ở pH acid, Fe2+ là chất cho điện tử của VSV (Thiobacillus ferrooxidans) tạo Fe3+ Chu trình sắt Chu trình sắt • Hg được phóng thích nhiều vào môi trường từ công nghiệp nông dược, điện tử, hóa chất... • Các dạng lực khử khác nhau của Hg: Hg0, Hg2+, CH3Hg+, CH3HgCH3, HgS, trong đó CH3Hg+ có độc tính cao nhất và được tính tụ trong chuỗi thực phẩm Chuyển hóa thủy ngân (Hg) Chuyển hóa Hg Cơ chế kháng độc tính thủy ngân ở VSV Phân hủy chất dẻo sinh học • Vi sinh vật phân bố vô cùng rộng rãi trong tự nhiên. • Trên mặt hoặc nhiều khi bên trong tất cả các vật thể sống hoặc không sống trong tự nhiên đều có nhiều ít VSV • Trong phần này chỉ giới thiệu về sự phân bố của VSV trong không khí, đất và nước. Sự phân bố VSV trong tự nhiên • Không khí không phải là môi trường thuận lợi cho VSV phát triển. Tuy nhiên, trong không khí vẫn có VSV do cuốn theo bụi đất và sự hô hấp và bài tiết của người và động vật • Đa số VSV trong không khí là loại hoại sinh, nhiều khi cũng có VSV gây bệnh • Số lượng VSV trong không khí thay đổi tùy địa điểm, dân số, mùa trong năm • Số lượng VSV trong không khí không nhiều lắm, không sinh sản và phát triển VSV trong không khí • Đất là môi trường thuận lợi cho VSV sống và phát triển • Thành phần VSV đất rất phức tạp bao gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh. • Trong đất canh tác, có nhiều chất hữu cơ, thoáng khí, số lượng VSV lên tới hàng triệu cá thể/ 1gam đất, đất hoang hóa, đất sa mạc có số lượng ít hơn. • Số lượng VSV thay đổi theo độ sâu của đất • Các nhóm VSV trong đất thường xuyên có liên quan với nhau: tác động tương hỗ lẫn nhau hoặc chống đối nhau • Là nguồn lây nhiễm cho nước, không khí • Có tầm quan trọng đặc biệt trong sự hình thành chất mùn. VSV trong đất • Nước tự nhiên là một môi trường rất thuận lợi cho VSV tồn tại và phát triển • Nước càng bị bẩn do các bã hữu cơ thì càng chứa nhiều VSV Nước ngầm (nước mạch) có ít VSV là do nước đã được thấm qua các lớp đất dày, VSV và các thức ăn hữu cơ được giữ lại trong lớp đất này Nước ao, hồ trường hợp bị nhiễm phân, rác rưỡi có nhiều chất hữu cơ thì số lượng chủng loại VSV tăng nhiều. Nước ở trong những hồ, biển lớn bụi bị lắng chìm nên số lượng VSV ít hơn Nước ở những vùng sông, ngòi gần dân cư thì số lượng VSV nhiều hơn vùng xa dân cư. VSV trong nước • Nước trong tự nhiên có khả năng tự làm sạch do tác dụng của ánh sáng mặt trời và do sự cạnh tranh sinh tồn mà hủy diệt lẫn nhau, hoặc là do chất kháng sinh của các thực vật thủy sinh tiết ra. • Nước cũng là nguồn truyền bệnh nguy hiểm • Ngoài những VSV sống trong nước, còn có những VSV gây bệnh do người và động vật làm ô nhiễm. Các VSV gây bệnh này chỉ tồn tại trong nước một thời gian nhất định. Chúng tồn tại trong nước lâu hay mau tùy theo nguồn nước, tính chất, nhiệt độ, pH... của nước. VSV trong nước