mở đầu sao chép trên bản đồ nhiễm sắc thể. Cơ chế của quá trình sao chép này cũng giống nhƣ quá trình sao chép nhiễm sắc thể của E. Tuy nhiên có một số protein tham gia vào quá trình sao chép của B. subtilis là khác so với E.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ 1. Tính an toàn và ứng dụng của B. subtilis Tính an toàn của B. subtilis đối với ngƣời và động vật Ở châu Âu và ở Mỹ, B.
subtilis đƣợc chỉ định là đủ điều kiện về an toàn và không hề có tác dụng phụ (QPS, Qualified Presumption of Safety) hay GRAS (Genrally Regarded As Safe) [21]. Một số chủng B. subtilis và họ hàng gần của nó là B. megaterium có khả năng sản xuất lecithinase, một enzyme có khả năng phá vỡ màng động vật có vú.
Tuy nhiên, vẫn chƣa có bằng chứng nào cho thấy lecithinase gây bệnh trên ngƣời [21]. Trong một số các trƣờng hợp ngƣời ta vẫn phát hiện ra B. subtilis ở những bệnh nhân bị ung thƣ phổi, hoại thƣ bạch cầu, áp xe khi lắp bộ phận giả…, nhƣng tỉ lệ các trƣờng hợp này là rất hiếm (chỉ có 2 trong 1034 ca phát hiện có B. Bacillus anthracis là một loài của Bacillus gây bệnh than nguy hiểm cho ngƣời [61, 21].
Hầu hết những loài B. subtilis an toàn với động vật. Các nghiên cứu cho thấy khi bổ sung B. subtilis vào thức ăn của vật nuôi, B.
subtilis tiết ra các enzyme phân hủy rất hiệu quả các chất trong thức ăn nhƣ carbonhydrate, chất béo và đạm thành những đơn vị nhỏ giúp vật nuôi hấp thụ tốt hơn. subtilis có khả năng sinh kháng sinh hạn chế vi khuẩn có hại trong đƣờng ruột và trong môi trƣờng, giúp vật nuôi chuyển hoá hiệu quả thức ăn và khống chế vi khuẩn gây bệnh. subtilis đƣợc áp dụng sản xuất probiotic để xử lý môi trƣờng nuôi thủy sản, xử lý đáy ao, xử lý mùi hôi, xử lý rác thải, phối trộn với thực phẩm tạo hệ men tiêu hóa, phòng ngừa các bệnh đƣờng ruột tăng cƣờng khả năng kích thích miễn dịch,…và đƣợc ứng dụng trong ngành nuôi thủy sản và chăn nuôi thú y [46]. Sử dụng chế phẩm có B.
subtilis trong chăn nuôi là hƣớng đi có ý nghĩa thực tiễn về khía cạnh bảo vệ môi trƣờng và đảm bảo hiệu quả sản xuất [5, 46]. Ứng dụng của B. subtilis trong nghiên cứu cơ bản Qua nghiên cứu quá trình hình thành bào tử từ tế bào mẹ của B. subtilis, các nhà nghiên cứu đã xây dựng đƣợc mô hình biệt hóa tế bào.
Dựa trên các kết quả thí nghiệm và mô hình toán học, các nhà nghiên cứu của trƣờng Đại học Oxford đã giải 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ thích cách kích hoạt các yếu tố phiên mã chính. Nguyên nhân để xác định con đƣờng biệt hóa tế bào là do sự khác biệt về khối lƣợng giữa tiền bào tử và tế bào mẹ [12]. Quá trình hình thành bào tử ở B. subtilis cần tới sự biểu hiện của hơn 200 gen, các gen này chỉ cần thiết cho quá trình hình thành bào tử mà không cần cho sự sinh trƣởng và sống sót của tế bào sinh dƣỡng.
Thêm nữa, thông qua tìm hiểu cơ chế điều hòa phiên mã, các nhà nghiên cứu còn giải thích đƣợc mô hình điều hòa hoạt động của gen trong tế bào [43]. Ban đầu các gen này đƣợc phiên mã theo trình tự thời gian. Các yếu tố sigma F, E, G, K xuất hiện theo trình tự sẽ quyết định trình tự phiên mã các gen bị chi phối bởi các yếu tố sigma này. Các yếu tố sigma đóng vai trò điều khiển quá trình phiên mã các gen đặc thù cho từng loại tế bào.
Ví dụ, yếu tố sigma F và sigma G điều khiển quá trình phiên mã các gen của tiền bào tử, yếu tố sigma E và sigma K điều khiển quá trình phiên mã các gen của tế bào mẹ. Vì vậy, cơ chế biểu hiện gen có sự phối hợp giữa tiền bào tử và tế bào mẹ để điều hòa hoạt động của các gen [43]. Ứng dụng của B. subtilis trong y học Do những nhƣợc điểm của các vacxin thế hệ cũ (nhƣ yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ bảo quản, kỹ thuật sử dụng để đƣa vacxin vào cơ thể con ngƣời…) đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết phải phát triển vacxin thế hệ mới nhƣ các vacxin thế hệ thứ hai và thế hệ thứ ba.
Trong hƣớng phát triển này, B. subtilis đƣợc phát hiện và đƣợc nghiên cứu nhƣ công cụ chuyển kháng nguyên an toàn và tiềm năng [19]. Gần đây, các nghiên cứu đã thành công trong việc biểu hiện một số kháng nguyên trên bề mặt bào tử của B. subtilis để sản xuất các vacxin nhƣ vacxin kháng bệnh than, vacxin phòng virus Rota gây bệnh tiêu chảy, vacxin uốn ván, bạch hầu, ho gà,… [61].
subtilis đƣợc xem nhƣ nhà máy sản xuất các loại vacxin dạng uống ổn định và an toàn [33, 40, 59]. Ở Nhật Bản, một chủng B. subtilis đã đƣợc sử dụng trong các món ăn cổ truyền từ hàng nghìn năm trƣớc để sản xuất nattokinase – một enzyme có nhiều tác dụng có lợi cho sức khỏe giúp chống đông máu, kích thích hệ miễn dịch, phòng tránh 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ nhiễm khuẩn đƣờng tiết niệu ở ngƣời cao tuổi [61, 33]. subtilis có khả năng lây nhiễm và gây chết ấu trùng của muỗi Anophelis aulicifacies (côn trùng chính gây sốt rét ở Ấn Độ) [28].
Do đó, nó đƣợc sử dụng nhƣ tác nhân kiểm soát sinh học phòng chống bệnh sốt rét. Ứng dụng của B. subtilis trong công nghiệp Trong môi trƣờng dinh dƣỡng hạn chế, B. subtilis có khả năng sản xuất một số enzyme (bao gồm cả protease, amylase, cenlulase, lipase, β-galactosidase, nattokinase,….) và kháng sinh [72].
Các hãng sản xuất đã dựa vào khả năng tiết các enzyme của B. subtilis nhƣ nhà máy để sản xuất các enzyme này trên quy mô công nghiệp. Các enzyme đƣợc ứng dụng để sản xuất một số phụ gia trong chất tẩy rửa và các sản phẩm khác [74]. Chất tẩy rửa đầu tiên có chứa enzyme vi khuẩn đƣợc sản xuất vào năm 1956 với tên BIO-40.
Đến nay, tất cả các protease bổ sung vào chất tẩy dùng trên thị trƣờng đều là serine protease, đƣợc sản xuất từ các chủng Bacillus và chủ yếu là từ B. Trên thế giới, mỗi năm ngƣời ta đã sử dụng 89% các loại enzyme này cho ngành công nghiệp tẩy rửa. Trong đó có hai công ty lớn là Novo Nordisk và công ty đa quốc gia Genencor mỗi năm đã cung cấp cho toàn cầu hơn 95% lƣợng enzyme protease [74]. Dựa vào khả năng tiết kháng sinh mà B.
subtilis đã đƣợc sử dụng để sản xuất thuốc kháng sinh (bao gồm cả subtilin, surfactin, bacillomycin, bacilysin, và fengycin) trên quy mô công nghiệp. Các chất này đƣợc sử dụng nhƣ thuốc kháng khuẩn và kháng nấm [74]. subtilis đã đƣợc sử dụng để chuyển đổi vật liệu nổ thành các hợp chất vô hại vì nó loại bỏ các chất thải phóng xạ hạt nhân [74]. Do khả năng hình thành màng sinh học, B.
subtilis còn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc chống ô nhiễm và xử lý bằng biện pháp sinh học trong ngành chế biến thực phẩm. Vi khuẩn này cũng giúp làm giảm ăn mòn thép ở mức độ nhẹ [46]. Ứng dụng của B. subtilis trong nông nghiệp B.
subtilis đƣợc ứng dụng trong nông nghiệp vì chúng tham gia tích cực vào chu trình cacbon và nitơ, phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vào khả năng sinh nhiều loại 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ enzyme ngoại bào [72]. subtilis có khả năng hình thành các màng sinh học (biofilm) -lớp màng sinh học này giúp hỗ trợ cho hệ thống thân rễ cạnh tranh với nấm gây bệnh và các loại vi khuẩn có hại cho cây trồng [22, 46]. Do vậy, ngƣời ta dùng B. subtilis nhƣ tác nhân kiểm soát sinh học phòng trừ vi sinh vật (nấm Rhizoctonia solani, Fusarium sp., Pylicularia oryzae,…) gây bệnh cho cây trồng nhƣ bằng cách ngâm với hạt giống trƣớc khi gieo trồng [61].
Một số chủng có họ gần với vi khuẩn B. subtilis nhƣ Bacillus thuringiensis có khả năng sản xuất độc tố đối với côn trùng nên đƣợc sử dụng nhƣ thuốc diệt ấu trùng chống lại nhiều loại sâu bƣớm để bảo vệ mùa màng [22]. Xu hƣớng hiện nay trên thế giới là sử dụng thuốc trừ sâu có chứa các chủng Bacillus thuringiensis vì nó an toàn với động vật và thân thiện với môi trƣờng hơn các loại thuốc trừ sâu tổng hợp [63]. Cấu trúc operon lac, gen lacZ và β- galactosidase 2.
Cấu trúc operon lac Operon lac ở E. coli là operon đầu tiên đƣợc phát hiện và nghiên cứu khá chi tiết từ năm 1961 bởi Jacob và Monod [2]. Operon lac gồm ba gen cấu trúc là lacZ, lacY và lacA nằm kề nhau đƣợc điều khiển chung bởi một promoter [70]. Hoạt động của operon này đƣợc kiểm soát theo hai cơ chế là tích cực và tiêu cực.
Gen lacZ mã hóa cho enzyme β-galactosidase. Enzyme này xúc tác phản ứng thủy phân lactose thành glucose và galactose để cung cấp năng lƣợng cho tế bào. Ngoài ra, β- galactosidase còn chuyển hóa một phần lactose (liên kết β-1,4-D- glycoside của glucose và galactose) thành một đồng phân là allolactose (liên kết β- 1,6-D-glycoside của glucose và galactose). Chính allolactose mới là phân tử kích ứng cho sự biểu hiện operon lac [2, 4].
9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ Hình 1. Cơ chế thủy phân của enzyme β- galactosidase Gen lacY mã hóa cho protein vận chuyển permease. Pemease nằm xuyên màng tế bào vi khuẩn và có vai trò vận chuyển chủ động lactose từ môi trƣờng ngoại bào vào trong tế bào. Gen lacA mã hóa cho enzyme thiogalactoside transacetylase có vai trò giải độc tế bào đối với các hợp chất thiogalactoside và enzyme thiogalactoside transacetylase cũng đƣợc vận chuyển vào tế bào nhờ protein vận chuyển permease [4].
Cấu trúc operon lac [70] Những gen này chỉ đƣợc biểu hiện mạnh khi môi trƣờng có lactose và không có glucose. Có hai protein điều hòa tham gia điều khiển hoạt động của operon lac. Đó là protein hoạt hóa CAP và protein ức chế LacI. Gen mã hóa CAP (Catabolite Activator Protein), còn có tên là CRP (cAMP Receptor Protein), nằm xa operon lac.
LacI đƣợc mã hóa bởi gen lacI nằm về phía đầu 5’ của operon lac. Mỗi protein điều hòa tiếp nhận một tín hiệu khác nhau từ môi trƣờng và truyền tín hiệu tới operon lac. Khi môi trƣờng không có lactose, LacI liên kết với operator và ức chế operon 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyễn Thị Thúy Luận văn thạc sỹ lac.