Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu Chi Bacillus là một tập hợp lớn các vi khuẩn Gram dương hoặc Gram biến đổi dạng bào tử, hiếu khí hoặc kỵ khí đã trải qua quá trình phân loại đáng kể sau những tiến bộ trong kỹ thuật sinh học phân tử. Do có nhiều đặc điểm sinh lý và khả năng tạo ra vô số enzym, chất kháng sinh và chất chuyển hóa, các loài Bacillus được sử dụng trong nhiều quy trình y tế, dược phẩm, nông nghiệp và công nghiệp. Các loài khác nhau tạo ra nhiều chất dinh dưỡng khác nhau như vitamin (ví dụ: riboflavin, cobalamin và inositol) và carotenoid và đã được sử dụng để tổng hợp một số chất có lợi cho sức khỏe của con người.
Ngoài ra, bào tử Bacillus có lịch sử tiêu thụ lâu đời và sử dụng an toàn như chế phẩm sinh học, các vi sinh vật sống khi được sử dụng với lượng vừa đủ sẽ mang lại lợi ích về sức khỏe cho vật chủ. Do những ý nghĩa thực tế to lớn đó mà các nghiên cứu về tiềm năng và phát hiện các cụm gene mới để sinh tổng hợp sản phẩm tự nhiên của chi vi khuẩn này đang rất được chú trọng. Sự phát triển của công nghệ giải trình tự bộ genomeđã được sử dụng để tìm kiếm các chất chuyển hóa mới cũng như các kháng sinh mới. Các hợp chất hoạt tính sinh học này được tổng hợp bởi các cụm gene sinh tổng hợp (BGC: Biosynthetic gene clusters) bao gồm các gene khu trú gần nhau trong bộ genomevi khuẩn (Naughton và cộng sự, 2017).
Dựa trên các sản phẩm của chúng, BGC nói chung được phân loại là Peptide được sinh tổng hợp không phụ thuộc vào ribosome (NRPS), polyketide synthase (PKS), peptit được sửa đổi sau dịch mã (RiPP) và những saccharide, terpenoit, lanthipeptit và những chất khác (Malik và cộng sự, 2020). Vi khuẩn Bacillus pseudomycoides DSM 12442 là một trực khuẩn tiềm năng, được phân lập từ vùng đất ở Ghana. Toàn bộ bộ genomecủa Bacillus pseudomycoides DSM 12442 đã được công bố. Tuy nhiên, phân tích điều tra chi tiết về chủng này chưa bao giờ được thực hiện đã thúc đẩy em theo đuổi luận án 3 “Phân tích dựa trên bộ genomecho tiềm năng hoạt tính sinh học của Bacillus pseudomycoides DSM 12442 ”.
Về ứng dụng tin sinh học Tin sinh học là một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành ở khoa học sinh học và khoa học tính toán. Mặc dù thuật ngữ ‘‘Tin sinh học’’ không thực sự được xác định rõ ràng, chúng ta có thể nói rằng lĩnh vực khoa học này liên quan đến việc quản lý tính toán của tất cả các loại thông tin sinh học phân tử. Hầu hết các công việc tin sinh học đang được thực hiện liên quan đến phân tích dữ liệu sinh học hoặc tổ chức thông tin sinh học. Tin sinh học sử dụng các công nghệ của các ngành toán học ứng dụng, tin học, thống kê, khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo, hóa học và hóa sinh (biochemistry) để giải quyết các vấn đề sinh học.
Tin sinh học và tác động của nó đối với hệ gen Một số thành tựu quan trọng của bộ gen được giải trình tự bằng tin sinh học: •Năm 1995, một sơ đồ mới để xác định trình tự ngẫu nhiên của bộ gen hoàn chỉnh đã được áp dụng để giải trình tự bộ gen của Haemophilus influenzae. Sự kiện này được đánh dấu là toàn bộ bộ gen đầu tiên của sinh vật được giải trình tự. •Tiếp theo là trình tự và chú thích của bộ gen sinh vật nhân thực đầu tiên, Saccharomyces cerevisiae (một loại nấm men), sau đó là của các loài nhân thực khác như Caenorhabtidis elegans (một loài sâu), Drosophila melanogaster (ruồi giấm) và Arabdopsis thaliana (cỏ mù tạt). • Bộ gen người ban đầu được giải trình tự từ năm 1990 đến năm 2003 và kể từ đó đã được tải lên trực tuyến và được chú thích rộng rãi Khối lượng và độ phức tạp của dữ liệu được tạo ra sẽ phải mất nhiều năm để biên dịch thủ công.
Tuy nhiên, với sự ra đời của tin sinh học, các nhà khoa học có khả năng thực hiện các quá trình biên dịch và chú thích một cách nhanh chóng và chính xác hơn. Một số ứng dụng của tin sinh học • Căn chỉnh trình tự Có thể sử dụng công cụ tin sinh để so sánh trình tự của các gen tương đồng. Từ đó, chúng ta có thể xác định mối liên hệ tiến hóa giữa các sinh vật vì mức độ giống nhau về trình tự của chúng. Việc xác định mức độ giống nhau giữa hai hoặc nhiều chuỗi có thể giúp chúng ta xác định mức độ liên quan của chúng.
Hai thuật toán thường dùng để căn chỉnh các chuỗi là thuật toán Smith – Waterman (căn chỉnh cục bộ) và thuật toán Needleman– Wunsch (căn chỉnh toàn cục). • Xác định các đột biến Tin sinh học rất quan trọng trong việc nghiên cứu các đột biến de novo. Một ví dụ về phương pháp được sử dụng để xác định những đột biến này là giải trình tự nguyên mẫu. Giải trình tự exome toàn bộ được sử dụng để chỉ trình tự các vùng mã hóa protein của DNA (exomes), chỉ chiếm 1% của bộ gen, do đó làm cho nó dễ dàng hơn nhiều so với giải trình tự bộ gen.
Tuy nhiên, số lượng lớn dữ liệu được tạo ra nhờ đó ứng dụng tin sinh học trở nên quan trọng đối với việc quản lý dữ liệu, căn chỉnh trình tự và phân tích. • Nghiên cứu tiến hóa Bằng cách nghiên cứu những thay đổi trong DNA bên trong các sinh vật và so sánh chúng với các loài khác, những thay đổi di truyền liên quan đến quá trình tiến hóa có thể được phân loại. Tiến hóa là quá trình bao gồm những thay đổi nhỏ, tích lũy trong DNA mà cuối cùng dẫn đến sự hình thành các loài mới. Tin sinh học đã hỗ trợ nghiên cứu trong quá trình tiến hóa bằng cách cho phép so sánh trình tự DNA, chia sẻ dữ liệu, dự đoán sự tiến hóa trong tương lai và phân loại các quá trình tiến hóa phức tạp.
Khi tập hợp lại với nhau, dữ liệu có thể được sử dụng để tạo ra cây phát sinh loài có thể theo dõi một số loài về tổ tiên ban đầu của chúng. Giới thiệu về Bacillus Về mặt phát sinh loài, vi khuẩn thuộc giống Bacillus thuộc lớp I của ngành Firmicutes tức là trực khuẩn. Các thành viên của chi Bacillus là vi khuẩn Gram dương, hiếu khí và hình thành nội bào tử được đặc trưng bởi hình thái tế bào hình que, sản xuất catalase với hàm lượng G + C của các loài Bacillus đã biết nằm trong khoảng từ 32 đến 69% và sự phân bố khắp nơi. Ferdinand Cohn vào năm 1872 lần đầu tiên mô tả chi Bacillus và đưa vào nó ba loài, đó chính là Bacillus subtilis, Bacillus anthracis và Bacillus ulna.
Đến nay, chi Bacillus có 226 loài có bộ genomeđã được giải trình tự, do đó thể hiện nó là một trong những chi vi khuẩn được nghiên cứu và khám phá nhiều nhất. Loài Bacillus lớn nhất được biết đến, B. megaterium, có chiều dài khoảng 1,5 μm (micromet; 1 μm = 10−6 m). Ngày nay người ta đã biết rằng tất cả các loài Bacillus đều có thể hình thành bào tử tiềm sinh trong điều kiện môi trường bất lợi.
Những nội bào tử này có thể tồn tại trong thời gian dài. Nội bào tử có khả năng chịu nhiệt, hóa chất và ánh sáng mặt trời và phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chủ yếu trong đất và chúng còn có thể xâm nhập vào các hạt bụi. Một số loại vi khuẩn Bacillus có hại cho con người, thực vật hoặc các sinh vật khác. cereus đôi khi gây hư hỏng thực phẩm đóng hộp và ngộ độc thực phẩm trong thời gian ngắn.
subtilis là yếu tố gây ô nhiễm phổ biến trong các môi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và thường được tìm thấy trên da người. Hầu hết các chủng Bacillus không gây bệnh cho người nhưng đối với các chủng sinh sống trong đất, chúng có thể lây nhiễm sang người một cách tình cờ. Một ngoại lệ đáng chú ý là B. anthracis, gây bệnh than ở người và vật nuôi.
thuringiensis tạo ra độc tố (Bt toxin) gây bệnh cho côn trùng. Thuốc kháng sinh hữu ích về mặt y tế được sản xuất bởi B. Ngoài ra, các chủng vi khuẩn B. amyloliquefaciens, xuất hiện cùng với một số loài thực vật, được biết là tổng hợp một số chất kháng sinh khác nhau, bao gồm bacillaene, macrolactin và difficidin.
Những chất này dùng để bảo vệ cây ký chủ 6 khỏi bị nhiễm nấm hoặc vi khuẩn khác và đã được nghiên cứu về tính hữu dụng của chúng như là tác nhân phòng trừ sâu bệnh sinh học. Chính vì vậy các loài Bacillus được sử dụng trong nhiều quy trình y tế, dược phẩm, nông nghiệp và công nghiệp tận dụng các đặc điểm sinh lý đa dạng và khả năng tạo ra nhiều loại enzyme, kháng sinh và các chất chuyển hóa khác. Phân loại học Phương pháp tiếp cận phát sinh loài đối với phân loại Bacillus phần lớn đã được thực hiện bằng cách phân tích các phân tử rRNA 16S bằng giải trình tự oligonucleotide. Kỹ thuật này cũng cho thấy các mối quan hệ phát sinh loài.
Đáng ngạc nhiên là các loài Bacillus cho thấy mối quan hệ họ hàng với một số loài không định hình nhất định, bao gồm Enterococcus, LactoBacillus và Streptococcus ở cấp độ Bộ, và Listeria và Staphylococcus ở cấp độ Họ. Mặt khác, một số thành viên cũ của chi Bacillus đã được tập hợp lại thành các Họ mới, bao gồm Acyclobacillaceae , Họ Paenibacillaceae và Planococcaceae , nay ngang hàng với Bacillaceae. Phân loại khoa học của Bacillus: Giới: Vi khuẩn Ngành: Firmicutes Lớp: Bacilli Bộ: Bacillales Họ: Bacillaceae Chi: Bacillus Chủng: Bacillus pseudomycoides DSM 12442 1. Đặc điểm của Bacillus ❖ Môi trường sống của Bacillus Bacillus được tìm thấy có thể sinh sống trong các loại môi trường rất đa dạng như đất và đất sét, đá, bụi, môi trường nước từ nước ngọt đến nước mặn, thảm thực vật, thức ăn và đường tiêu hóa của các loài côn trùng và động vật khác nhau (Nicholson và cộng sự , 2002).
Khả năng tồn tại và phát triển trong 7 các hệ sinh thái khác nhau như vậy dựa trên việc sản xuất các nội bào tử mạnh mẽ, sự đa dạng về đặc tính sinh lý và các yêu cầu tăng trưởng của chúng. Các loài Bacillus không đồng nhất về mặt kiểu hình và kiểu gene (Priest, 1993 ; Slepecky & Hemphill, 2006), và do đó, chúng thể hiện các đặc tính sinh lý khá đa dạng như khả năng phân hủy nhiều cơ chất khác nhau có nguồn gốc từ thực vật và động vật, bao gồm cellulose, tinh bột, protein , thạch, hydrocacbon và cả nhiên liệu sinh học (Lutz và cộng sự , 2006).