Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình phân chia tế bào là cơ chế sinh học cơ bản và sống còn đối với tất cả các sinh vật sống. Ở sinh vật nhân sơ, đặc biệt là vi khuẩn, sự phân bào được điều phối bởi một bộ máy đa protein phức tạp, trong đó nhân tố trung tâm là FtsZ – một enzyme guanosine-5′-triphosphatase (GTPase) có khả năng tự trùng hợp tạo thành các sợi nguyên sinh (protofilaments). Các cấu trúc này tập hợp lại tại vị trí phân chia tiềm năng ở giữa tế bào tạo nên cấu trúc dạng vòng co thắt (vòng Z). Vòng Z đóng vai trò như một khung điều hòa không gian và thời gian, tuyển dụng hàng loạt protein màng và enzyme tổng hợp vách ngăn để hoàn tất phân bào. FtsZ được xem là protein tương đồng cấu trúc và chức năng với tubulin ở tế bào nhân thực.

Lactococcus là một chi vi khuẩn quan trọng thuộc nhóm vi khuẩn axit lactic (Lactic Acid Bacteria - LAB). Chi này có vai trò trung tâm trong ngành công nghiệp chế biến sữa (sản xuất phô mai, sữa chua, bơ...) và công nghệ sinh học y dược (phát triển chủng probiotic, hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp và hệ thống phân phối kháng nguyên vắc-xin qua đường niêm mạc). Mặc dù có ý nghĩa công nghiệp và y sinh to lớn, các dữ liệu sinh học phân tử về nhân tố phân chia tế bào FtsZ ở chi Lactococcus vẫn chưa được mô tả đầy đủ và có hệ thống so với các vi khuẩn mô hình như Escherichia coli hay Bacillus subtilis.

Khóa luận tốt nghiệp "Phân tích codon đặc trưng trong cấu trúc gen ftsZ mã hóa protein tham gia vào quá trình phân chia tế bào ở chi Lactococcus" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống dữ liệu này.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là xác định, phân tích cấu trúc và đánh giá các đặc tính của họ gene và protein mã hóa FtsZ ở chi Lactococcus bằng các công cụ tin sinh học (in silico), bổ sung cơ sở dữ liệu tiến hóa phân tử và cấu trúc không gian của nhân tố phân chia tế bào ở vi sinh vật.

Đề tài đặt ra 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định và chú giải họ gene mã hoá FtsZ ở chi Lactococcus.
  2. Phân tích đặc tính lý hóa và phân nhóm phát sinh loài của protein FtsZ ở chi Lactococcus.
  3. Phân tích vị trí cư trú nội bào của protein FtsZ ở chi Lactococcus.
  4. Xây dựng mô hình cấu trúc không gian của FtsZ ở chi Lactococcus.
  5. Phân tích các miền cấu trúc đặc trưng của FtsZ ở chi Lactococcus.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm trình tự DNA mã hóa (CDS) và chuỗi amino acid hoàn chỉnh của các protein FtsZ thuộc các loài trong chi Lactococcus cùng các trình tự FtsZ đối chứng từ một số loài vi khuẩn đại diện khác. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu từ tháng 08/2022 đến tháng 02/2023 tại phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận tiếp cận đối tượng nghiên cứu thông qua khung lý thuyết sinh học phân tử vi sinh vật và phương pháp luận tin sinh học ứng dụng.

Về mặt lý thuyết, chi Lactococcus bao gồm các cầu khuẩn Gram dương, catalase âm, không di động, yếm khí tùy tiện, lên men đồng hình chuyển hóa glucose thành L(+)-lactic acid qua con đường hexose diphosphate. Hệ gen của Lactococcus có kích thước dao động trong khoảng 2,37 đến 2,53 Mbp với hàm lượng G+C xấp xỉ 35 mol%. Về cấu trúc phân tử, protein FtsZ chuẩn ở vi khuẩn gồm 5 vùng chức năng chính:

  • Peptide đầu tận cùng N (NTP) có độ bảo tồn thấp;
  • Vùng lõi hình cầu liên kết GTP (GTP-binding core domain) bảo tồn cao;
  • Vùng liên kết đầu C không có cấu trúc cố định (CTL);
  • Đuôi peptide ngắn đầu C bảo tồn (CTT);
  • Vùng biến đổi đầu C (CTV).

Dữ liệu sơ cấp được trích xuất dựa trên trình tự gen ftsZ hạt giống (seed sequence) từ loài Lactobacillus amylovorus đã công bố trên Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia Hoa Kỳ (NCBI). Trình tự này được sử dụng để truy vấn toàn diện cơ sở dữ liệu hệ gen và hệ protein của chi Lactococcus.

Hệ thống phương pháp và công cụ xử lý dữ liệu in silico bao gồm:

  • Xác định và chú giải gene/protein: Sử dụng thuật toán BlastP (Basic Local Alignment Search Tool for Protein) trên hệ thống NCBI để xác định mã định danh protein (Protein ID), mã bảng sao (Transcript ID), locus gen và trích xuất chuỗi định dạng FASTA của 22 protein FtsZ thuộc chi Lactococcus.
  • Phân tích đặc tính lý hóa: Khai thác công cụ ProtParam trên máy chủ phân tích protein ExPASy. Các thông số được tính toán gồm: chiều dài chuỗi amino acid (L), trọng lượng phân tử (mW, kDa), điểm đẳng điện lý thuyết (pI), chỉ số bất ổn định (II), chỉ số béo (AI) và độ ưa nước trung bình (GRAVY).
  • Phân tích phát sinh loài: Thực hiện căn chỉnh đa trình tự bằng thuật toán ClustalW tích hợp trong phần mềm MEGA 11. Cây phát sinh loài được thiết lập bằng phương pháp Neighbor-Joining (NJ) với giá trị kiểm định Bootstrap 1000 lần lặp và ngưỡng cắt (cut-off value) 50%.
  • Dự đoán vị trí cư trú nội bào: Sử dụng máy chủ dự đoán YLoc (chế độ YLoc-HighRes) để phân tích các đoạn tín hiệu định vị và tính toán xác suất phân bố vào 8-10 ngăn dưới tế bào (tế bào chất, màng sinh chất, nhân, ti thể...).
  • Xây dựng mô hình cấu trúc 3D: Sử dụng máy chủ Phyre2 để mô hình hóa cấu trúc bậc hai (tỷ lệ chuỗi xoắn alpha, phiến gấp beta, đoạn xuyên màng TM helix) và dự đoán cấu trúc không gian bậc 3 dựa trên khuôn tương đồng.
  • Phân tích miền bảo tồn đặc trưng: Căn chỉnh chuỗi độ dài đầy đủ bằng ClustalX, đối chiếu miền Pfam của vi khuẩn và trực quan hóa các vùng bảo tồn bằng phần mềm BioEdit.

Nội dung chính theo từng chương

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc tìm hiểu nhân tố phân chia tế bào FtsZ ở chi Lactococcus – đối tượng vi sinh vật có giá trị công nghiệp cao nhưng chưa được khảo sát cấu trúc FtsZ một cách hệ thống. Tác giả xác lập rõ ràng mục đích, 5 yêu cầu nghiên cứu, cùng ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ quá trình tiến hóa phân tử và ý nghĩa thực tiễn cung cấp cơ sở dữ liệu sinh học cho các ứng dụng công nghệ vi sinh.

PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương tổng quan gồm 3 nhánh nội dung chính:

  1. Tổng quan về chi Lactococcus: Phân tích nguồn gốc phân loại từ chi Streptococcus, đặc điểm hình thái tế bào hình cầu/trứng (0,5-1,2 × 0,5-1,5 µm), đặc điểm di truyền các chủng mô hình (L. lactis subsp. cremoris MG1363, LM0230, L. lactis IL1403). Tổng kết các ứng dụng thực tế trong sản xuất thực phẩm lên men, sản xuất bacteriocin (Nisin) kháng khuẩn, hệ thống phân phối vắc-xin qua niêm mạc mũi và vai trò probiotic tăng cường miễn dịch.
  2. Tổng quan về protein FtsZ: Trình bày lịch sử phát hiện đột biến phân bào ở E. coli, cấu trúc tinh thể phân giải 1,7 Å của FtsZ từ Methanocaldococcus jannaschii, cấu tạo gồm 5 vùng chức năng (NTP, GTPase core, CTL, CTT, CTV) và mối quan hệ tương tác với các protein liên kết màng (FtsA, ZipA, FtsW, FtsN) cũng như protein định hình tế bào (MreB, PBP5).
  3. Tình hình nghiên cứu: Điểm luận các công trình quốc tế (Löwe & Amos 1998, Vaughan 2003, Margolin 2005, Xiao 2016) và các nghiên cứu trong nước về phân lập, định danh Lactococcus (Nguyễn Thị Lâm Đoàn 2011, Hoa Thị Minh Tú 2012, Lê Mỹ Tiểu Ngọc 2019, Hà Thị Thu 2020), chỉ ra rằng nghiên cứu phân tử về gen ftsZ tại Việt Nam còn rất hạn chế.

PHẦN III: PHẠM VI, NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương này quy định rõ địa điểm, thời gian thực hiện, trình tự dữ liệu đầu vào và thiết lập quy trình thực nghiệm in silico 6 bước hoàn chỉnh:

  • Bước 1: Khai thác NCBI và BlastP để thu thập 22 trình tự FtsZ của Lactococcus và 6 trình tự đối chứng.
  • Bước 2: Phân tích 6 chỉ số lý hóa trên ExPASy ProtParam.
  • Bước 3: Phân tích cây phát sinh loài trên phần mềm MEGA 11 theo thuật toán Neighbor-Joining.
  • Bước 4: Dự đoán vị trí nội bào trên hệ thống YLoc-HighRes.
  • Bước 5: Mô phỏng cấu trúc không gian bậc 2 và bậc 3 qua máy chủ Phyre2.
  • Bước 6: Khảo sát 5 miền chức năng bảo tồn bằng ClustalX, Pfam và BioEdit.

PHẦN IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương kết quả thể hiện các dữ liệu phân tích cụ thể:

  • Chú giải họ gen ftsZ: Xác định chính xác 22 chuỗi protein FtsZ ở 22 loài/chủng Lactococcus với đầy đủ mã số định danh NCBI (Bảng 4.1).
  • Đặc tính hóa sinh: Kích thước chuỗi dao động từ 387 đến 430 aa; trọng lượng phân tử từ 41,14 đến 45,11 kDa. 100% protein có tính axit (pI từ 4,42 đến 4,65) và có tính ưa nước (GRAVY âm, từ -0,278 đến -0,129). Chỉ số béo AI dao động từ 85,56 đến 91,54. Chỉ số bất ổn định II cho thấy 8 loài có II < 40 (ổn định) và 14 loài có II > 40 (kém ổn định in vitro).
  • Phát sinh loài: Cây phân loại chia 28 protein thành 5 nhóm (A đến E). Toàn bộ 22 protein của chi Lactococcus tập trung thành nhóm E với hệ số bootstrap 1000, tách biệt hoàn toàn khỏi các nhóm A (E. coli, B. bacilliformis, A. faecalis), B (G. sulfurreducens), C (A. butzleri) và D (Blautia sp.).
  • Vị trí nội bào: Dự đoán 100% protein FtsZ chi Lactococcus cư trú tại tế bào chất (cytoplasm) với xác suất 96,25% - 98,99% và độ tin cậy đạt 0,81 - 0,99.
  • Cấu trúc không gian và miền bảo tồn: Xác định tỷ lệ các thành phần xoắn alpha, phiến gấp beta và định vị 5 vùng cấu trúc chức năng (NTP, túi liên kết GTP, CTL, CTT, CTV) trên chuỗi amino acid.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã trích xuất và tổng hợp có hệ thống các thông số lý hóa và phân loại học của 22 protein FtsZ thuộc chi Lactococcus cùng 6 protein từ các loài vi khuẩn đối chứng:

STT Tên loài / Chủng vi khuẩn Chiều dài (aa) Trọng lượng phân tử (kDa) Điểm đẳng điện (pI) Chỉ số bất ổn định (II) Chỉ số béo (AI) Độ ưa nước (GRAVY) Nhóm phát sinh Vị trí nội bào dự đoán (YLoc)
1 Lactococcus SK11 417 44,04 4,54 40,79 86,09 -0,227 Nhóm E Tế bào chất (97,57%)
2 L. allomyrinae 1JSPR-7 411 43,40 4,58 44,40 88,05 -0,174 Nhóm E Tế bào chất (98,21%)
3 L. carnosus 421 44,04 4,49 34,81 89,93 -0,147 Nhóm E Tế bào chất
4 L. chungangensis DSM 22330 419 44,26 4,54 40,44 87,54 -0,206 Nhóm E Tế bào chất (97,71%)
5 L. cremoris MG1363 424 44,58 4,51 42,93 85,83 -0,181 Nhóm E Tế bào chất (98,39%)
6 L. formosensis NBRC 109475 - - - - - - Nhóm E Tế bào chất (97,93%)
7 L. fujiensis JCM 16395 419 44,51 4,64 38,03 88,45 -0,246 Nhóm E Tế bào chất (97,71%)
8 L. garvieae IPLA 31405 424 44,56 4,50 44,96 85,61 -0,189 Nhóm E Tế bào chất (98,35%)
9 L. hircilactis DSM 28960 423 44,82 4,65 36,29 85,56 -0,243 Nhóm E Tế bào chất (98,26%)
10 L. hodotermopsidis Hs30E4-3 430 45,11 4,52 40,76 89,63 -0,159 Nhóm E Tế bào chất (97,36%)
11 L. insecticola Hs20B0-1 421 43,93 4,42 37,40 91,54 -0,129 Nhóm E Tế bào chất (96,25%)
12 L. lactis 417 44,05 4,55 42,03 86,09 -0,227 Nhóm E Tế bào chất (97,57%)
13 L. lactis subsp. cremoris MG1363 419 44,36 4,65 40,35 88,23 -0,222 Nhóm E Tế bào chất (98,99%)
14 L. lactis subsp. cremoris TIFN1 387 41,14 4,58 41,93 85,97 -0,278 Nhóm E Tế bào chất (98,52%)
15 L. nasutitermitis NBRC 111537 426 44,94 4,57 36,04 86,08 -0,220 Nhóm E Tế bào chất (98,78%)
16 L. petauri 424 44,57 4,46 40,86 86,06 -0,182 Nhóm E Tế bào chất (97,93%)
17 L. piscium BF1 420 43,91 4,52 40,09 88,71 -0,148 Nhóm E Tế bào chất (97,85%)
18 L. plantarum NBRC 100936 420 44,13 4,51 34,63 90,98 -0,133 Nhóm E Tế bào chất (97,72%)
19 L. protaetiae KACC 19320 411 43,42 4,58 41,14 88,30 -0,174 Nhóm E Tế bào chất (98,21%)
20 L. raffinolactis NBRC 100932 421 44,01 4,55 35,34 90,40 -0,142 Nhóm E Tế bào chất (96,40%)
21 L. reticulitermitis Rs-Y01 421 43,91 4,52 34,44 89,48 -0,130 Nhóm E Tế bào chất (96,40%)
22 L. taiwanensis K_LL001 415 43,85 4,53 41,23 87,69 -0,228 Nhóm E Tế bào chất (98,60%)
23 L. termiticola NtB2 417 44,05 4,47 40,48 86,09 -0,203 Nhóm E Tế bào chất (98,60%)
24 Escherichia coli K12 383 40,32 4,63 24,48 92,98 -0,005 Nhóm A Tế bào chất (97,85%)
25 Blautia sp. MCC269 383 40,33 4,88 28,54 92,48 -0,044 Nhóm D Tế bào chất (97,82%)
26 Alcaligenes faecalis NCIB 8687 387 40,60 4,83 32,37 87,03 -0,063 Nhóm A Tế bào chất (98,81%)
27 Bartonella bacilliformis KC583 593 63,61 4,98 48,72 84,28 -0,236 Nhóm A Tế bào chất (96,45%)
28 Geobacter sulfurreducens PCA 384 40,83 4,97 22,92 93,23 -0,073 Nhóm B Tế bào chất (97,84%)
29 Aliarcobacter butzleri 377 40,30 4,89 23,76 101,17 -0,077 Nhóm C Tế bào chất (98,81%)

Ghi chú: Ký hiệu "-" thể hiện trường hợp thông tin không có trong bảng số liệu gốc.

Các đóng góp chính của đề tài:

  • Thiết lập cơ sở dữ liệu phân tử đồng bộ cho 22 protein FtsZ thuộc chi Lactococcus, chứng minh sự bảo tồn cao về kích thước, cấu trúc miền và tính chất hóa sinh (tất cả đều có tính axit, ưa nước và định vị nội bào tại tế bào chất).
  • Chứng minh về mặt phát sinh loài rằng các protein FtsZ của Lactococcus tạo thành một nhánh tiến hóa đồng nhất (nhóm E) tách biệt rõ rệt với các loài vi khuẩn khác, phản ánh tính bảo tồn cấu trúc chặt chẽ của bộ máy phân bào trong chi vi khuẩn axit lactic này.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được triển khai hoàn toàn dựa trên các thuật toán và công cụ tin sinh học (in silico) từ dữ liệu trình tự có sẵn trên cơ sở dữ liệu NCBI. Do đó, các kết luận về đặc tính lý hóa, vị trí cư trú nội bào và mô hình cấu trúc không gian 3D đều mang tính dự đoán lý thuyết, chưa được thẩm định trực tiếp qua các kỹ thuật thực nghiệm ướt (in vitro và in vivo) như:

  • Nhân dòng, biểu hiện và tinh sạch protein FtsZ tái tổ hợp để đo hoạt tính thủy phân GTP thực tế.
  • Nuôi cấy, tạo đột biến gen hoặc dung hợp protein huỳnh quang (GFP-FtsZ) để quan sát sự hình thành vòng Z dưới kính hiển vi quang học/huỳnh quang trên tế bào Lactococcus sống.
  • Chưa có cấu trúc tinh thể phân giải tia X thực nghiệm riêng cho protein FtsZ của chi Lactococcus.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Tiến hành thực nghiệm sinh học phân tử để biểu hiện và kiểm chứng các đặc tính hóa sinh của protein FtsZ ở các chủng đại diện (L. lactis, L. cremoris).
  • Nghiên cứu cơ chế tương tác trực tiếp giữa FtsZ với các protein màng neo giữ (FtsA, ZipA) trong điều kiện sinh lý tế bào thực tế của vi khuẩn lên men lactic.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Công nghệ Sinh học, Vi sinh vật học, Sinh học phân tử và Tin sinh học (Bioinformatics).
  • Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm quy trình mẫu về phân tích in silico cho một họ gen/protein hoàn chỉnh: từ khai thác dữ liệu NCBI, BlastP, phân tích ProtParam, dựng cây phát sinh loài trên MEGA 11, dự đoán YLoc đến phân tích cấu trúc 3D qua Phyre2 và BioEdit.
  • Các nhóm nghiên cứu về vi khuẩn axit lactic (Lactococcus, Lactobacillus) phục vụ định hướng tối ưu hóa lên men hoặc phát triển hệ thống biểu hiện vắc-xin.

Câu hỏi thường gặp

1. Trình tự hạt giống (seed sequence) nào đã được tác giả sử dụng để truy vấn họ gen ftsZ ở chi Lactococcus?
Tác giả sử dụng trình tự gen và chuỗi protein FtsZ đặc trưng của loài Lactobacillus amylovorus (được công bố bởi Baran Kumar Saha và Jayanti, 2019) làm hạt giống để tìm kiếm đối chiếu thông qua công cụ BlastP trên hệ cơ sở dữ liệu NCBI của chi Lactococcus.

2. Các protein FtsZ ở chi Lactococcus có đặc trưng lý hóa chung nào về điểm đẳng điện và độ ưa nước?
Toàn bộ 22 protein FtsZ của chi Lactococcus đều có tính axit với điểm đẳng điện lý thuyết (pI) dao động từ 4,42 đến 4,65 (đều < 7,0) và có tính ưa nước với giá trị GRAVY đều mang giá trị âm, dao động từ -0,278 đến -0,129.

3. Phân tích cây phát sinh loài bằng phần mềm MEGA 11 đã phân chia các protein nghiên cứu thành những nhóm nào?
Cây phát sinh loài (thuật toán Neighbor-Joining) phân chia 28 chuỗi protein thành 5 nhóm từ A đến E. Toàn bộ 22 protein FtsZ của chi Lactococcus nằm trọn vẹn trong nhóm E với hệ số bootstrap 1000, trong khi các loài vi khuẩn khác nằm ở các nhóm A (E. coli, B. bacilliformis, A. faecalis), B (G. sulfurreducens), C (A. butzleri) và D (Blautia sp.).

4. Kết quả dự đoán bằng công cụ YLoc xác định protein FtsZ ở chi Lactococcus cư trú ở đâu trong tế bào?
100% các protein FtsZ của chi Lactococcus được dự đoán định vị tại tế bào chất (cytoplasm) với xác suất dao động từ 96,25% đến 98,99% và điểm tin cậy đạt mức cao đến rất cao (từ 0,81 đến 0,99).

5. Protein FtsZ ở chi Lactococcus gồm những miền cấu trúc chức năng nào?
Protein FtsZ ở chi Lactococcus bảo tồn 5 vùng chức năng chính: peptide đầu tận cùng N (NTP), vùng lõi hình cầu chứa túi liên kết GTP (GTP-binding pocket), vùng liên kết đầu C không cấu trúc (CTL), đuôi đầu C bảo tồn (CTT) và vùng biến đổi đầu C (CTV).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phạm Thu Hà đã cung cấp một bức tranh toàn diện và có hệ thống về cấu trúc, đặc tính hóa sinh, vị trí nội bào và quan hệ tiến hóa của 22 protein FtsZ thuộc chi Lactococcus thông qua các công cụ tin sinh học hiện đại. Kết quả khẳng định tính bảo tồn cao của FtsZ dạng hình cầu, mang tính axit, ưa nước và định vị tại tế bào chất trong toàn bộ chi Lactococcus. Nghiên cứu tạo tiền đề dữ liệu phân tử quan trọng phục vụ cho các định hướng thực nghiệm sinh hóa và ứng dụng công nghệ vi sinh tiếp theo.