CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về Bacillus 1. Khái quát Năm 1872, Ferdinand Cohn, một người cùng thời với Robert Koch, đã nhận ra và đặt tên cho vi khuẩn là Bacillus subtilis.
Sinh vật này là vi khuẩn Gram dương, có khả năng phát triển trong điều kiện có oxy và hình thành một loại tế bào nghỉ duy nhất được gọi là endospore. Sinh vật đại diện cho những gì đã trở thành một chi lớn và đa dạng của vi khuẩn có tên là Bacillus, trong họ Bacillaceae. Koch dựa trên những quan sát của Cohn trong tác phẩm kinh điển của ông (1876), Căn nguyên của bệnh than dựa trên lịch sử cuộc đời của Bacillus anthracis, đã cung cấp bằng chứng đầu tiên rằng một vi sinh vật cụ thể có thể gây ra một căn bệnh cụ thể. Ảnh chụp vi khuẩn Bacillus anthracis ban đầu của Robert Koch.
Năm 1876, Koch xác định bằng kính hiển vi cẩn thận rằng vi khuẩn này luôn hiện diện trong máu của động vật chết vì bệnh than. Anh ta lấy một lượng nhỏ máu từ một con vật như vậy và tiêm nó vào một con chuột khỏe mạnh, sau đó nó bị bệnh và chết. Ông đã có thể khôi phục sinh vật gây bệnh than ban đầu từ con chuột chết, lần đầu tiên chứng minh rằng một loại vi khuẩn cụ thể là nguyên nhân của một căn bệnh cụ thể. Bacillus vẫn còn nguyên vẹn cho đến năm 2004, khi nó được tách thành một số họ và chi của vi khuẩn hình thành nội bào tử, có thể được xác minh dựa trên phân tích ssRNA.
Để phù hợp với các thành viên cũ của chi Bacillus được đề cập trong chương này, tiêu đề của nó đã được đổi thành “Vi khuẩn tạo nội bào tử Gram dương hoặc hiếu khí ". Đặc điểm thống nhất của những vi khuẩn này là chúng Gram dương, hình thành nội bào tử và phát triển khi có O 2. Cái tên tầm thường được gán cho chúng là máy sinh bào tử hiếu khí. 3 Sự phổ biến và đa dạng của các vi khuẩn này trong tự nhiên, khả năng kháng bất thường của nội bào tử của chúng đối với các tác nhân hóa học và vật lý, chu kỳ phát triển của quá trình hình thành nội bào tử, sản xuất kháng sinh, độc tính của bào tử và tinh thể protein của chúng đối với nhiều loài côn trùng, và vi khuẩn gây bệnh Bacillus anthracis, đã thu hút sự quan tâm không ngừng đối với những vi khuẩn này kể từ đó và những khám phá của Cohn và Koch vào những năm 1870.
Có sự đa dạng lớn về sinh lý học giữa các bào tử hiếu khí, không có gì đáng ngạc nhiên khi xem xét sự đa dạng phát sinh loài mới được phát hiện gần đây của chúng. Các đặc điểm chung của chúng bao gồm sự suy thoái của hầu hết các chất nền có nguồn gốc từ thực vật và động vật, bao gồm xenlulo, tinh bột, pectin, protein, agar, hydrocacbon và những chất khác; sản xuất kháng sinh; quá trình nitrat hóa; khử nitơ; cố định đạm; rối loạn sinh sắc tố; tự dưỡng; ưa axit; alkaliphily; psychrophily; ưa nhiệt; và chủ nghĩa ký sinh. Sự hình thành nội bào tử, được tìm thấy phổ biến trong nhóm, được cho là một chiến lược để tồn tại trong môi trường đất, trong đó những vi khuẩn này chiếm ưu thế. Trực khuẩn coagulans.
Gram dương hay Gram âm? Cấu trúc thành tế bào của vi khuẩn hình thành nội bào tử phù hợp với cấu trúc của vi khuẩn Gram dương, và các mẫu cấy non nhuộm màu như mong đợi. Tuy nhiên, nhiều bào tử biến đổi nhanh chóng trở nên Gram âm khi bước vào giai đoạn tăng trưởng tĩnh.Phân loại và phát sinh loài Những nỗ lực ban đầu trong việc phân loại các loài Bacillus dựa trên hai đặc điểm: sinh trưởng hiếu khí và hình thành nội bào tử. Điều này dẫn đến việc kết dính nhiều vi khuẩn với nhau sở hữu các loại sinh lý khác nhau và chiếm nhiều môi trường sống. Do đó, sự không đồng nhất về sinh lý học, sinh thái học và di truyền học, gây khó khăn cho việc phân loại Bacillus hoặc đưa ra những khái quát về nó.
4 Trong Sổ tay về vi khuẩn có hệ thống của Bergey (xuất bản lần 1 năm 1986), hàm lượng G + C của các loài Bacillus đã biết nằm trong khoảng từ 32 đến 69%. Quan sát này, cũng như các xét nghiệm lai DNA, đã tiết lộ sự không đồng nhất về di truyền của chi. Không chỉ có sự khác biệt giữa các loài, mà đôi khi có sự khác biệt sâu sắc về hàm lượng G + C trong các chủng của một loài. Ví dụ, hàm lượng G + C của nhóm Bacillus megaterium dao động từ 36 đến 45%.
Trong Sổ tay hướng dẫn về vi khuẩn có hệ thống của Bergey (xuất bản lần thứ 2 năm 2004), các sơ đồ phân loại phát sinh loài đã đưa ra hai loại vi khuẩn hình thành nội bào tử nổi bật nhất, clostridia và trực khuẩn, trong hai loại Firmicutes khác nhau, Clostridia và Bacilli. Clostridia bao gồm Bộ Clostridiales và Họ Clostridiaceae với 11 chi trong đó có Clostridium. Bacilli bao gồm Bacillales bậc và họ Bacillaceae. Trong họ này có 37 chi mới ngang hàng với Bacillus.
Điều này giải thích sự không đồng nhất về hàm lượng G + C được quan sát thấy ở chi Bacillus năm 1986. 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, tất nhiên, 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 Gia đình.
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. Hầu hết các vi khuẩn được thảo luận trong bài viết này đến từ một trong bốn Họ này. Hệ thống phân loại của họ (Bergey's 2004) là Vương quốc: Vi khuẩn; Phylum: Firmicutes; Lớp: Trực khuẩn; Đặt hàng: Bacillales; Họ: Acyclobacillaceae (chi: AcycloBacillus); Họ: Bacillaceae (chi: Bacillus, GeoBacillus); Họ: Paenibacillaceae (chi: PaeniBacillus, BreviBacillus); Họ: Planococcaceae (chi: Sporosarcina). Sự phân chia lại phân loại trong Bacillus (1986-2004).
Bergey's Manual of Systematic Bergey's Manual of Systematic Bacteriology (xuất bản lần 1 năm Bacteriology (xuất bản lần thứ 2 1986) năm 2004), Bacillus acidocalderius AcycloBacillus acidocalderius Bacillus agri BreviBacillus agri Bacillus alginolyticus PaeniBacillus alginolyticus Bacillus amylolyticus PaeniBacillus amylolyticus Bacillus alvei PaeniBacillus alvei Bacillus azotofixans PaeniBacillus azotofixans Bacillus brevis BreviBacillus brevis Bacillus globisporus Sporosarcina globisporus Ấu trùng trực khuẩn Ấu trùng PaeniBacillus Bacillus laterosporus BreviBacillus laterosporus Bacillus lentimorbus PaeniBacillus lentimorbus Bacillus macerans PaeniBacillus macerans Bacillus pasteurii Sporosarcina pasteurii Bacillus polymyxa PaeniBacillus polymyxa Bacillus popilliae PaeniBacillus popilliae Bacillus psychrophilus Sporosarcina psychrophilia Bacillus stearothermophilus GeoBacillus stearothermophilus Bacillus thermodenitrificans GeoBacillus thermodenitrificans 1.Cấu trúc bề mặt của Bacillus Giống như hầu hết các vi khuẩn Gram dương, bề mặt của Bacillus rất phức tạp và có liên quan đến các đặc tính của chúng là tuân thủ, đề kháng và phản ứng chiến thuật. Bề mặt tế bào sinh dưỡng là một cấu trúc nhiều lớp bao gồm một viên 6 nang, một lớp bề mặt protein (lớp S), một số lớp tấm peptidoglycan và các protein ở bề mặt ngoài của màng sinh chất. Các lớp bề mặt tinh thể của tiểu đơn vị protein hoặc glycoprotein, được gọi là lớp S, được tìm thấy trong các thành viên của chi Bacillus. Cũng như các lớp S của các vi khuẩn khác, chức năng của chúng ở Bacillus vẫn chưa được biết rõ, nhưng chúng được cho là có liên quan đến sự tuân thủ.
Người ta đã chứng minh rằng lớp S có thể che đậy vật lý tấm peptidoglycan tích điện âm ở một số vi khuẩn Gram dương và ngăn chặn quá trình tự ngưng kết. Người ta cũng đề xuất rằng lớp này có thể đóng một số vai trò trong tương tác giữa vi khuẩn và kim loại.Thành tế bào Sự biến đổi cấu trúc thành tế bào thường gặp ở nhiều vi khuẩn Gram dương không xảy ra ở chi Bacillus. Thành tế bào sinh dưỡng của hầu hết các loài Bacillus được tạo thành từ một peptidoglycan chứa axit meso-diaminopimelic (DAP). (Thành tế bào của Sporosarcina pasteurii và S.
globisporus, chứa lysine ở vị trí của DAP.) Đây là cùng một loại polyme thành tế bào gần như phổ biến ở vi khuẩn Gram âm, tức là, chứa DAP như axit diamino ở vị trí 3 của tetrapeptit. Trong một số trường hợp, DAP được liên kết chéo trực tiếp với D-alanin, giống như trongHọ Enterobacteriaceae; trong những trường hợp khác, hai chuỗi bên tetrapeptit của peptidoglycan được kéo dài bởi một cầu nối interpeptit giữa DAP và D-alanin, đây là đặc điểm của hầu hết các vi khuẩn Gram dương. Ngoài peptidoglycan trong thành tế bào, tất cả các loài Bacillus đều chứa một lượng lớn axit teichoic được liên kết với dư lượng axit muramic. Các loại axit teichoic glycerol rất khác nhau giữa các loài Bacillus và trong các loài.
Như ở nhiều vi khuẩn Gram dương khác, axit lipoteichoic được tìm thấy liên kết với màng tế bào của các loài Bacillus. Những hợp chất này được cho là tham gia vào quá trình tổng hợp thành axit teichoic, là chất điều hòa hoạt động tự phân và là chất xác định các ion hóa trị hai đối với vi khuẩn. 7 Cấu trúc của tiểu đơn vị muropeptide của peptidoglycan củaTrực khuẩn megaterium. Ở hầu hết các loài Bacillus, không có cầu nối interpeptit kết nối D- alanin với axit meso-diaminopimelic (DAP).
Ngoài ra, tất cả các bào tử Bacillus đều chứa loại tiểu đơn vị axit muramic này trong vỏ bào tử. Di truyền Việc phát hiện ra sự biến nạp ở một dòng Bacillus subtilis vào năm 1958, tập trung sự chú ý vào di truyền của vi khuẩn. Đây là một trong số tương đối ít vi khuẩn mà khả năng hấp thụ DNA được phát hiện là một phần tự nhiên trong vòng đời của vi khuẩn. Sau đó, sự tải nạp tổng quát và chuyên biệt đã được quan sát thấy ở B.
subtilis, và kiến thức về di truyền và tổ chức nhiễm sắc thể của vi khuẩn này nhanh chóng trở thành thứ hai chỉ sau vi khuẩn đường ruột. Hơn nữa, việc xác định nhiều gen ảnh hưởng đến sự hình thành bào tử ở B. subtilis đã cung cấp một phương tiện để phân tích chương trình phát triển phức tạp của bào tử. Các vi khuẩn có khả năng trung gian truyền tải tổng quát cũng đã được báo cáo ở các loài Bacillus khác, bao gồm B.
anthracis và GeoBacillus stearothermophilus. Plasmid liên hợp là những plasmid có khả năng tự chuyển từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác. Chúng đã được mô tả ở một số loài Bacillus. Khả năng tạo ra protein tinh thể độc tố delta diệt côn trùng ở B.
thuringiensis được mã hóa trong các plasmid lớn.