Cơ sở hóa sinh và di truyền học của công nghệ sinh học vi sinh vật

Chơng hai
Cơ sở hóa sinh và di truyền học
của công nghệ sinh học vi sinh vật
I. Phân loại các sản phẩm
Các chất đợc sản xuất bằng con đờng lên men nhờ vi sinh vật rất đa dạng. Để tiện cho
nghiên cứu và ứng dụng thì phải tiến hành phân loại sản phẩm lên men công nghiệp dựa vào tiêu
chuẩn sinh lý sinh hóa trao đổi chất của vi sinh vật. Chính vì vậy công tác phân loại sản phẩm là
việc làm cần thiết của công nghệ vi sinh.
1. Sinh khối (vật chất tế bào)
Việc tổng hợp sinh khối tế bào là quá trình thực hiện để sản xuất protein vi sinh vật. Quá
trình này thực chất là quá trình sinh trởng của vi sinh vật.
Quá trình này đã phát triển những cơ chế điều hòa trao đổi chất đảm bảo một phần lớn đến
mức cho phép các chất dinh dỡng cung cấp sẽ đợc sử dụng vào quá trình tổng hợp các thành
phần của tế bào.
2. Sản phẩm trao đổi chất
+ Sản phẩm của quá trình lên men: Lên men là một trong những con đờng của quá trình
trao đổi năng lợng. Ngoài việc cung cấp năng lợng cho tế bào vi sinh vật, còn cung cấp các sản
phẩm có giá trị cho con ngời nh: ethanol, acid acetic, acid lactic, acid propionic, khí methane,
các cơ chất giàu hữu cơ khác...
+ Các chất trao đổi bậc 1: Là nhng viên gạch cấu trúc nên vật chất của tế bào, trong số các
cao phân tử sinh học thì đây là những chất có phân tử lợng thấp: các amino acid, nucleozide,
nucleotide, đờng. Ngoài ra, các chất trao đổi bậc 1 còn là sản phẩm của quá trình trao đổi chất
trung gian nh acid hữu cơ của chu trình Tricarboxylic.
+ Các chất trao đổi bậc 2: Là những chất trao đổi có phân tử lợng thấp, không gặp trong cơ
thể vi sinh vật. Những chất này không có chức năng chung trong trao đổi chất của tế bào nh: các
chất kháng sinh, các độc tố, các chất có hoạt chất kích thích sinh trởng nh gibberellin.
+ Enzyme: Là những protein xúc tác có sự biến đổi các chất của tế bào. Mỗi tế bào vi sinh
vật có khoảng 1000 loại enzyme khác nhau với số phân tử lên đến 10
6
, gồm enzyme nội và
enzyme ngoại bào nh: amylase, proteaea, cellulase... trong đó enzyme nội bào chiếm đa số.
3. Các sản phẩm của sự chuyển hóa chất
Tiền sản phẩm
Sản phẩm

tế bào vi sinh vật

Tế bào vi sinh vật thông qua hệ enzyme của mình đóng vai trò xúc tác cho các phản ứng
chuyển hóa các chất. Về mặt lý thuyết những phản ứng này có thể xảy ra nhờ những xúc tác hóa
học nào đó. Tuy nhiên các quá trình này đôi khi không thực hiện đợc ở điều kiện bình thờng,
mà chỉ thực hiện ở điều kiện đặc biệt (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) thích hợp cho quá trình chuyển
hóa, trong trờng hợp này ngời ta chuyển sang sản xuất bằng công nghệ vi sinh vật. Ví dụ từ
ethanol chuyển đến acetic acid phải dùng chủng Acetobacter, Acetomonas để chuyển hóa.
II. Mối quan hệ giữa sinh trởng của vi sinh vật và sự tạo thành
sản phẩm
Trong điều kiện nuôi cấy tĩnh, quá trình sinh trởng của vi sinh vật trải qua 3 pha, đợc
biểu diễn bằng đồ thị (hình 1).











Giai đoạn đặc thù
Sinh trởng và tạo sản phẩm
Giai đoạn dinh dỡng
Thời gian Thời gian
Hình 1: Mối quan hệ giữa sinh trởng và tạo thành sản phẩm của vi sinh vật
Trong điều kiện nuôi cấy toàn bộ quá trình sinh trởng của vi sinh vật gắn liền với sự thay
đổi theo thời gian. Trong môi trờng, các chất dinh dỡng theo thời gian sẽ giảm, và tơng ứng
số lợng tế bào vi sinh vật sẽ tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất của tế bào cũng thay đổi.
Lúc này các sản phẩm trao đổi chất có thể có vai trò khác nhau đối với tế bào.
Có thể tạm chia sản phẩm ra thành 2 loại sau:
+ Loại sản phẩm mà sự hình thành của nó gắn liền với sinh trởng của vi sinh vật, nh các
chất trao đổi bậc 1: Các enzyme, các sản phẩm của quá trình lên men. Sự tổng hợp loại sản phẩm
này xảy ra trong thời gian sinh trởng và còn có thể tiếp diễn sau khi sinh trởng đã kết thúc.
+ Loại sản phẩm mà sự hình thành của chúng không cần thiết cho sinh trởng của vi sinh vật,
nh các chất trao đổi bậc 2. Sự tổng hợp các chất này xảy ra sau khi sinh trởng đã kết thúc (ở
vào pha tĩnh. Giáo trình vi sinh vật đại cơng). Sự tạo thành sản phẩm trong giai đoạn này đợc
gọi là sản xuất hay giai đoạn đặc thù, hoặc giai đoạn dinh dỡng.
Tuy vậy cũng có nhiều sản phẩm mà sự hình thành của nó không nằm trong hai giai đoạn
trên, tạm gọi là dạng trung gian, ví dụ sự hình thành amino acid, mặc dù sản phẩm này đợc hình
thành ở giai đoạn dinh dỡng, nhng nó vẫn còn tiếp diễn sau khi sinh trởng đã kết thúc, vì quá
trình tổng hợp các amino acid tiếp diễn trên cơ sở của một sai hỏng về điều hòa trao đổi chất tổng
hợp. Từ đó cho thấy, trong công nghệ lên men đòi hỏi nhà sản xuất phải biết sản phẩm của mình
cần thu đợc sinh ra ở giai đoạn nào của quá trình nuôi cấy, đồng thời phải biết tìm mọi biện
pháp tối u hóa quá trình nuôi cấy để cho hiệu suất tạo sản phẩm cao nhất. Nghĩa là tìm ra điều
kiện nuôi cấy đảm bảo cho vi sinh vật đạt trạng thái sinh trởng, phát triển tối u.
Trong công nghệ lên men, đích cuối cùng cần phải đạt là: từ cơ chất ban đầu với một dung
tích nồi lên men nhỏ nhất, trong thời gian ngắn, có thể thu hoạch sản phẩm mong muốn với năng
suất cao nhất. Nh vậy mới giảm đợc giá thành. Một quy trình công nghệ nh vậy mới là hoàn
thiện.

III. Những nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
Trong hoạt động sống của mình, vi sinh vật tạo các sản phẩm trao đổi chất và các thành phần
cấu tạo nên tế bào chỉ ở mức cần thiết cho sinh trởng, phát triển, sinh sản duy trì loài. Có nghĩa
là trong tự nhiên không có sự sinh sản d thừa các sản phẩm trao đổi chất bậc 1, 2.
1. Điều hòa hoạt tính enzyme nhờ sự kìm hãm do liên kết ngợc
Ngời ta đã nhận thấy: sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp một chất có khả năng
gây ra sự ức chế quá trình tổng hợp của chính nó.
Sản phẩm cuối cùng dù đợc vi sinh vật tổng hợp nên hay thu nhận từ môi trờng ngoài, khi
ở nồng độ d thừa so với nhu cầu của cơ thể vi sinh vật sẽ ảnh hởng đến enzyme đầu tiên trong
chuỗi sinh tổng hợp.
Sơ đồ chuỗi các phản ứng sinh hóa xảy ra để tổng hợp chất (X):

A
B C X
(a)

(b)

(c)

Enzyme đầu tiên (a) là một enzyme dị lập thể, nó có đặc điểm cấu trúc hình không gian khi
có mặt sản phẩm cuối cùng nhằm giảm bớt hoạt tính xúc tác của mình. ở enzyme này, ngoài vị
trí gắn với cơ chất A (trung tâm xúc tác), nó còn có một hay nhiều vị trí gắn với sản phẩm cuối
cùng X gọi là trung tâm dị lập thể. Trung tâm xúc tác và trung tâm dị lập thể tách biệt nhau về
không gian và cấu trúc. Trạng thái hoạt động của enzyme này đợc đặc trng ở chỗ nó có khả
năng gắn với cơ chất A và nếu bên cạnh cơ chất A còn có sự hiện diện của X ở mức độ d thừa so
với nhu cầu của cơ thể vi sinh vật, thì sẽ xảy ra sự bao vây của trung tâm dị lập thể, làm cho trung
tâm xúc tác bị biến đổi cấu hình không gian đến mức khiến cho enzyme (a) không thể gắn đợc
với cơ chất A, mà chỉ gắn với X. Nh vậy enzyme (a) sẽ không có hiệu lực trong việc chuyển hóa
A thành B. Chuỗi sinh tổng hợp X sẽ bị gián đoạn. Khi đó X sẽ bị giảm số lợng. Sự điều hòa này
ở mức độ enzyme.
2. Sự cảm ứng và ức chế quá trình tổng hợp enzyme
Trong khi nuôi cấy vi sinh vật có một chất khó đồng hóa, vi sinh vật phải tiết vào môi trờng
một hoặc vài enzyme tơng ứng để phân huỷ cơ chất đó thành cơ chất có thể đồng hóa đợc.
Enzyme đợc hình thành này đợc gọi là enzyme cảm ứng. Cơ chất kích thích quá trình này đợc
gọi là chất cảm ứng.
Sự cảm ứng và ức chế quá trình tổng hợp enzyme ở vi sinh vật đã đợc Học thuyết operon
của F. Jacob và J. Monod tìm ra năm 1966.
Học thuyết operon giúp làm sáng tỏ cơ chế điều hòa chơng trình làm việc của bộ gen đối
với quá trình tổng hợp protein - enzyme.
+ Nhóm gen cấu trúc: Nhóm gen này đảm bảo việc mã hóa cấu trúc của các phân tử protein
- enzyme. Các gen này thờng xếp liền nhau. Trong trờng hợp Lac. coli, các gen cấu trúc gồm
ba gen ký hiệu là A, B và C.
- Gen A mã hóa thứ tự amino acid của -galactosidase.
- Gen B mã hóa cấu trúc của enzyme thẩm thấu galactosidepermease cần thiết cho quá trình
vận chuyển lactose vào tế bào.
- Gen C mã hóa cấu trúc của enzyme thiogalactoseacetyltransferase.
Cả ba gen cấu trúc nói trên tạo thành một đơn vị phiên mã.
+ Gen điều khiển (Operator): Là đoạn DNA nằm kề bên nhóm gen cấu trúc, ký hiệu là O.
Nhờ tác dụng gắn với chất ức chế, operator làm việc nh một công tắc phụ trách việc đóng
mở hoạt động của nhóm gen cấu trúc.
+ Gen khởi động (Promoter): Là DNA nằm kề phía trớc operator là nơi gắn enzyme RNA
polymerase, enzyme này xúc tác cho quá trình tổng hợp RNA thông tin của nhóm gen cấu trúc.
Khi chất ức chế gắn vào operator thì phân tử RNA polymerase bị cản trở, không di chuyển dọc
theo mạch khuôn DNA, dẫn đến các gen cấu trúc bị kìm chế và không tạo đợc protein cũng nh
enzyme tơng ứng. Do vị trí và chức năng nh vậy nên đợc gọi là gen Promoter (gen khởi
động).
+ Gen điều hòa (Regulator): Gen này chịu trách nhiệm mã hóa việc tổng hợp nên một
protein đặc biệt đóng vai trò chất ức chế. Thờng nó chỉ đợc tổng hợp với một lợng không
đáng kể trong tế bào (khoảng 10 - 20 phân tử/tế bào). Đặc điểm của chất ức chế là một protein
biến cấu oligomer có hai tâm đặc thù. Hai tâm này làm cho chất ức chế có khả năng hoặc gắn với
chất cảm ứng hoặc gắn với operator. Nếu chất ức chế có ái lực lớn với operator, thì thờng gắn
vào operator.
* Có thể khái quát hóa điều kiện cảm ứng nh sau:
- Trên nhiễm sắc thể của tế bào phải có những gen tơng ứng với các enzyme sẽ đợc hình
thành.
- Các nguyên liệu xây dựng phân tử enzyme: các amino acid và các hợp phần của nhóm
ngoại.
- Năng lợng cần thiết cho việc hình thành các liên kết.
- Chất cảm ứng.
Theo F. Jocob và Monod, thì dù có ba điều kiện trên mà không có chất cảm ứng thì enzyme
cảm ứng cũng không đợc tạo thành. Nh vậy để hình thành một enzyme cảm ứng phải hội tụ đủ
bốn điều kiện: gen, nguyên liệu xây dựng, năng lợng và chất cảm ứng.
3. Điều hòa tổng hợp enzyme nhờ sự kiềm chế bằng sản phẩm cuối cùng và sự phân giải
kiềm chế
Nếu chúng ta ký hiệu X là sản phẩm cuối cùng của một chuỗi sinh tổng hợp, thì thấy rằng X
có tác dụng đặc hiệu với chất ức chế (chất do gen điều hòa tổng hợp nên).
Khi môi trờng có hiện tợng d thừa X so với nhu cầu của tế bào, X sẽ gắn với chất ức chế,
làm thay đổi cấu hình không gian của chất ức chế, làm cho chất ức chế có khả năng gắn với
operator (còn gọi là hoạt hóa chất ức chế). Do vậy gọi chất X là chất đồng kìm hãm. Khi chất ức
chế gắn với operator sẽ làm ngừng trệ quá trình phiên mã, ức chế operon, dẫn đến enzyme
không tổng hợp đ
ợc, khi đó việc sản xuất X bị gián đoạn. Trong khi đó tế bào vẫn tiếp tục sử
dụng chất X, khiến cho chất này bị giảm tới mức không đủ để đáp ứng nhu cầu của tế bào. Lúc
ấy sẽ xảy ra quá trình giải phóng sự kiềm chế operon nói trên, vì do thiếu chất X, chất ức chế
lúc này sẽ thiếu mất yếu tố hoạt động hóa học, do đó không có khả năng gắn với operator, điều
này dẫn đến giải phóng operon, dẫn tới các enzyme đợc tổng hợp và việc sản xuất X sẽ đợc
tiến hành trở lại. Đó là hiện tợng giải kiềm chế.
4. Điều hòa tổng hợp enzyme nhờ sự kiềm chế dị hóa
Trong nuôi cấy vi sinh vật có nhiều nguồn cơ chất, trớc hết xảy ra việc tổng hợp các enzyme
xúc tác cho sự phân giải cơ chất dễ sử dụng nhất. Sự tổng hợp các enzyme xúc tác phân huỷ các
cơ chất khác bị ức chế bởi sự kiềm chế dị hóa. Ví dụ: Trong môi trờng nuôi cấy có hai nguồn
carbohydrate là: glucose và lactose. Trớc tiên vi sinh vật sẽ hình thành các enzyme phân giải
glucose. Sự cảm ứng để tổng hợp enzyme phân giải lactose - galactosidase bị ức chế bởi sự kiềm
chế dị hóa.
Cơ chế kiềm chế dị hóa đã đợc nghiên cứu khá chi tiết ở vi khuẩn E. coli với việc điều hòa
tổng hợp enzyme - galactosidase. Nếu trong trờng hợp carbohydrate, glucose là nguồn cơ chất
đợc sử dụng thích hợp nhất, vì vậy khi có mặt glucose thì nhiều enzyme khác của quá trình dị
hóa cũng nh trao đổi chất trung gian không đợc tổng hợp. Ngời ta gọi hiện tợng này là hiệu
ứng glucose.
+ Khi môi trờng không có glucose, có lactose:
Môi trờng không có glucose, sẽ dẫn đến tích luỹ một lợng lớn AMP
v
(adenosine
monophosphate vòng). Lúc đó AMP
v
sẽ

phản ứng với một protein nhận ký hiệu là CAP - (catabolite
activato rprotein). Ngời ta còn gọi hiện tợng này là vùng Promoter bị chất đầy. Chính sự chất
đầy này là tiền đề cho sự hoạt động của enzyme RNA polymerase, có nghĩa là sẽ thúc đẩy sự đợc hoạt
hóa nhờ sự chất đầy.
Đồng thời trong môi trờng còn có mặt lactose, lactose sẽ đóng vai trò là một cơ chất cảm
ứng, nó sẽ phản ứng với chất ức chế, làm thay đổi cấu hình không gian của chất ức chế để tạo
phức hệ ức chế - chất cảm ứng. Điều này khiến cho chất ức chế không gắn đợc với operator.
Nh vậy Lac-operon sẽ đợc giải phóng.
+ Khi môi trờng có glucose, có lactose:
Trong môi trờng nếu ngoài lactose còn đợc bổ sung glucose, thì lúc ấy hàm lợng AMP
v
sẽ bị giảm đi
,
hậu quả là CAP không tạo đợc phức hệ với AMP
v
, do đó không có sự chất đầy
ở Promoter. Liên đới RNA polymerase sẽ không đợc mở đầu hoạt động hoặc nếu đợc mở cũng
rất yếu. Vì vậy ngay cả khi có mặt cơ chất cảm ứng (lactose) cũng không có sự tổng hợp RNA
thông tin- có nghĩa không có sự tạo thành enzyme.
+ Khi môi trờng không có glucose và không có lactose:
Nếu trong môi trờng không có cả hai glucose và lactose, thì chất ức chế sẽ gắn vào operator
nên operon vẫn bị phong tỏa. Do đó RNA thông tin không đợc tổng hợp. Không có sự tổng hợp
protein- enzyme.
IV. Những sai hỏng di truyền của điều hòa trao đổi chất và hiện
tợng siêu tổng hợp
Những cơ chế điều hòa nói trên đã giúp cho cơ thể vi sinh vật đảm bảo đợc hoạt động sống
của mình tiến hành một cách nhịp nhàng trên cơ sở tiết kiệm nguyên liệu, năng lợng một cách
hợp lý.
Tuy nhiên, nếu mọi vi sinh vật đều có hoạt động sống bình thờng thì không có lý do gì để
quan tâm đặc biệt đến chúng. Trong hoạt động sống của vi sinh vật chúng luôn tiết ra các sản
phẩm nào đó, mà những sản phẩm này lại rất cần thiết cho con ngời. So với nhu cầu cho hoạt
động sống của vi sinh vật, những sản phẩm chúng tổng hợp đợc chắc chắn là d thừa lợng lớn.
Ngời ta nói: Những cơ thể vi sinh vật này có khả năng siêu tổng hợp một chất nào đó.
Với sự phát triển của khoa học, hiện nay con ngời đã tạo đợc rất nhiều chủng giống vi sinh
vật có khả năng siêu tổng hợp các chất. Đây là kết quả của quá trình chọn lọc nhân tạo với các
phơng pháp gây đột biến. Những chủng đột biến này có những sai hỏng di truyền rất đáng đợc
quan tâm.