MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phân chia tế bào đã đƣợc biết đến nhƣ một quá trình quan trọng đối với toàn bộ sinh vật sống. Về cơ bản, sự phân chia tế bào ở các loài vi khuẩn đƣợc sắp xếp bởi một bộ phận phân chia. Trong bƣớc này, FtsZ, một guanosine-5′- triphosphatease (GTPase) hình thành polyme, thúc đẩy quá trình phân chia tế bào vi khuẩn (Löwe & Amos, 1998).
Đặc biệt, các protein fztsZ đóng vai trò nhƣ một công cụ điều hòa quá trình hình thành quá trình phân chia và tế bào học, khi nó tập hợp thành các sợi nguyên sinh để tạo nên một khuôn mẫu giống nhƣ chiếc nhẫn (Mcquillen & Xiao, 2020). Các protein ftsZ ở các loài vi khuẩn đƣợc báo cáo là chia sẻ cách thức tƣơng tự với các tubulin trong các tế bào nhân chuẩn (Nogales et al. Chi Bacillus biểu thị một loại vi khuẩn gram dƣơng, hình thành bào tử, hình que và hiếu khí. Chi này có thể đƣợc phân lập từ nhiều nguồn khác nhau nhƣ đất (hầu hết), không khí, nƣớc, ruột, động vật, rau và thực phẩm (Elshaghabee et al.
Ở quy trình mô phân tử, quá trình phân chia tế bào, đặc biệt là các protein ftsZ của các nhóm chi này chƣa đƣợc mô tả đầy đủ. Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi thực hiện đề tài: “Phân tích mô hình và tính bảo thủ trong cấu trúc gen ftsZ ở chi Bacillus bằng tin sinh học”. Nghiên cứu này đƣợc thực hiện nhằm mô tả toàn diện các protein ftsZ đƣợc tìm thấy trong nhóm chi Bacillus. Mục đích và yêu cầu của đề tài 1.
Mục đích của đề tài Nghiên cứu này đƣợc thực hiện nhằm tìm hiểu mức độ biểu hiện gene mã hóa ftsZ ở chi Bacillus từ đó góp phần bổ sung dữ liệu về nhân tố phiên mã ftsZ liên quan đến vi sinh vật trong tiến hóa. Yêu cầu của đề tài - Xác định và chú giải họ gene mã hoá ftsZ ở chi Bacillus. - Phân tích đặc tính của protein ftsZ ở chi Bacillus. - Phân tích vị trí cƣ trú nội bào của protein ftsZ ở chi Bacillus.
- Xây dựng mô hình cấu trúc không gian của ftsZ ở chi Bacillus. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học Kết quả của nghiên cứu này có thể cung cấp những dẫn liệu khoa học quan trọng cho việc tìm hiểu gene mã hóa FtsZ liên quan đến quá trình tiến hoá của chi Bacillus. Ý nghĩa thực tiễn Là cơ sở cho thấy chức năng gen FtsZ của chi Bacillus nhằm phục vụ đời sống.
2 PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Nguồn gốc, xuất xứ của chi Bacillus Chi Bacillus thuộc họ Bacillaceae. Họ Bacillaceae bao gồm các vi khuẩn hình que hình thành nội bào tử, có hai phân bộ chính: vi khuẩn hình thành bào tử kỵ khí thuộc chi Clostridium và vi khuẩn hình thành bào tử kỵ khí hoặc hiếu khí thuộc chi Bacillus thƣờng đƣợc gọi là ASB (hiếu khí mang bào tử). Chi Bacillus đƣợc Cohn thành lập năm 1872 và bao gồm hơn 200 loài và phân loài đƣợc mô tả thuộc ngành Firmicutes.
Đặc điểm hình thái, cấu trúc của chi Bacillus Dựa trên các đặc điểm hình thái, vi khuẩn thuộc chi này đƣợc mô tả là hình que, gram dƣơng, hiếu khí hoặc kỵ khí tùy ý và dƣơng tính với catalase. Do khả năng sinh lý rộng và khả năng hình thành nội bào tử, Bacillus spp. có khả năng chống lại các điều kiện môi trƣờng bất lợi từ cát sa mạc và suối nƣớc nóng đến đất Bắc Cực từ nƣớc ngọt đến trầm tích biển. Hầu hết các loài Bacillus là loài hoại sinh.
Chi này bao gồm các đại diện ƣa nhiệt, ƣa lạnh, ƣa axit, ƣa kiềm, ƣa mặn và ƣa mặn có khả năng phát triển ở nhiệt độ, giá trị pH và nồng độ muối mà ở đó ít sinh vật khác có thể tồn tại.1 cho thấy cấu trúc của một nội bào tử Bacillus tổng quát (chi tiết về cấu trúc khác nhau giữa các loài). Một bào tử đƣợc sản xuất trên mỗi tế bào sinh dƣỡng. Nguyên sinh chất trung tâm hay còn gọi là tế bào mầm, mang các thành phần cấu tạo của tế bào sinh dƣỡng trong tƣơng lai, kèm theo axit dipicolinic, chất cần thiết cho khả năng chịu nhiệt của bào tử. Bao quanh nguyên sinh chất là một vỏ não bao gồm phần lớn peptidoglycan (murein), chất này cũng rất quan trọng trong việc kháng nhiệt và bức xạ của bào tử.
Lớp bên trong, màng vỏ hoặc thành nguyên sinh chất, trở thành thành tế bào của tế bào sinh dƣỡng mới khi bào tử nảy mầm. Các lớp áo bào tử, chiếm tới 50% thể tích của bào tử, bảo vệ nó khỏi hóa chất, enzym,.1: Mặt cắt ngang của bào tử Bacillus (Peter CB Turnbull Bacillus 1996) 2. Đặc điểm di truyền của chi Bacillus Một số vi khuẩn, chẳng hạn nhƣ Bacilli và Clostridia , đƣợc biết là phát triển bào tử. Đây là những dạng sống không hoạt động, không hoạt động và không hoạt động về mặt chuyển hóa, có khả năng tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt ( Hilbert và Piggot 2004 ).
Bào tử có thể nảy mầm thành tế bào sinh dƣỡng đầy đủ chức năng khi gặp điều kiện thuận lợi. Ở Bacillus subtilis , đƣợc cho là sinh vật mô hình bào tử có đặc điểm tốt nhất, sự phát triển của bào tử kéo dài trong vài giờ và đòi hỏi sự phối hợp không gian và thời gian để biểu hiện hàng trăm gen ( Hilbert và Piggot 2004). Các gen tạo bào tử rất đa dạng về cấu trúc và chức năng (hệ thống truyền tín hiệu, các yếu tố sigma và các chất điều hòa phiên mã, các enzym chuyển hóa và các protein cấu trúc của lớp phủ bào tử), bởi vì sự phát triển của bào tử đòi hỏi phải cấu hình lại hoàn toàn vỏ tế bào và quá trình trao đổi chất. Hiểu biết về B.
subtilis sporulation khá rộng rãi, nhƣng chƣa đầy đủ và các gen tạo bào tử mới vẫn đang đƣợc xác định ( Traag et al. 2013 ; Meeske et al. Mặc dù có sự đa dạng về cấu trúc và chức năng, các gen tạo bào tử đều đóng góp vào một chƣơng trình phát triển chung. Theo nghĩa đó, bào tử tƣơng tự nhƣ quá trình phát triển ở các sinh vật đa bào, nơi mà sự biểu hiện của hàng nghìn gen đa dạng về chức năng cần đƣợc điều chỉnh theo thời gian và không gian ( Hilbert và Piggot 2004 ; Yanai 2018 ).
Trƣớc đây, ngƣời ta đã chỉ ra rằng lịch sử tiến hóa của một gen có liên quan chặt chẽ với các hạn chế về biểu hiện 4 và chức năng sinh học, do nó ảnh hƣởng đến mức độ tích hợp gen vào môi trƣờng tế bào ( Domazet-Lošo và Tautz 2010 ; Capra et al. Những tiến bộ gần đây trong sinh học máy tính giúp chúng ta có thể khám phá các mối liên hệ tiềm năng giữa tiến hóa gen và tiến hóa chức năng. Với phƣơng pháp phân tích thực vật bộ gen, tuổi gen có thể đƣợc suy ra bằng cách xem xét một nhóm gen chính thống để đại diện cho các dòng con của nút xác định sâu nhất, hoặc là kết quả của sự khác biệt giữa hai nhóm tƣơng đồng xa nhất ( Domazet-Loso et al. Do đó, phân tích phylostratigraphy của bất kỳ bộ gen nhất định nào sẽ phân loại các gen của nó thành phylostrata (PS), mỗi gen chứa các gen có họ protein xuất hiện tại một nút cụ thể (thời điểm) trong cây sự sống.
Sau đó, tuổi của một gen đƣợc xác định là tổ tiên chung gần đây nhất của loài đƣợc tìm thấy trong phylostratum đó. Dựa trên các phân tích phylostratigraphy nhƣ vậy, một số tác giả quy định rằng nếu một chức năng sinh học mới xuất hiện tại một thời điểm nhất định trong quá trình tiến hóa, thì các gen liên quan đến chức năng đó sẽ đƣợc làm giàu trong phylostratum tƣơng ứng. Phát hiện này đã đƣợc xác nhận trong các trƣờng hợp chẳng hạn nhƣ phát triển ung thƣ ở Metazoa ( Trigos et al. 2017 ) và phát triển hệ thống giác quan ở động vật có xƣơng sống ( Sestak et al.
Vai trò của chi Bacillus 2. Ứng dụng của Bacillus trong công nghiệp hóa chất Ứng dụng của B. subtilis trong công nghiệp đã phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ qua và nó đã trở thành nhà máy sản xuất tế bào vi sinh vật chính cho nhiều sản phẩm công nghiệp (Schallmey M et al. 2004), bao gồm enzyme , kháng sinh, vitamin, axit amin.
Các chất hóa học do B. subtilis sản xuất cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, mỹ phẩm, hóa chất và dƣợc phẩm. Ứng dụng của Bacillus trong sản xuất enzyme Do B. subtilis phát triển nhanh chóng trên chất nền rẻ tiền, mạnh mẽ, khả năng tiết protein, không gây bệnh và quá trình xử lý xuôi dòng thuận lợi, B.
5 subtilis đã trở thành một máy chủ biểu hiện lý tƣởng để sản xuất các loại enzyme công nghiệp khác nhau. Theo thống kê chƣa đầy đủ, enzyme đƣợc sản xuất bằng B. subtilis chiếm 50% tổng thị trƣờng enzyme (Schallmey M et al. Nhiều enzym đã đƣợc thể hiện thành công trong B.
subtilis, bao gồm cả amylase, xylanase, lichenase, β-galactosidase (Watzlawick H et al. 2019), cellulase, protease serine kiềm, và nhiều loại khác. Enzyme đóng vai trò quan trọng trong thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, chất tẩy rửa, công nghiệp dệt may, da, giấy và dƣợc phẩm. Do trạng thái GRAS của nó, protease từ B.
subtilis có thể đƣợc sử dụng trong các ứng dụng thực phẩm khác nhau, chẳng hạn nhƣ chuẩn bị thủy phân đậu nành, làm mềm thịt, thủy phân casein, đông tụ sữa và xử lý chất thải thực phẩm. Ứng dụng của Bacillus trong nông nghiệp, vật liệu sinh học và y học Vì là một loại lợi khuẩn không gây bệnh nên B. subtilis thƣờng đƣợc sử dụng làm phụ gia vi sinh để cải thiện chức năng đƣờng ruột ở động vật. Nó đã đƣợc tìm thấy giúp thúc đẩy tăng trƣởng động vật và ngăn ngừa bệnh tật (Lee NK et al.
Nó có thể đƣợc sản xuất ở dạng nội bào tử, sau đó đi vào đƣờng ruột của động vật và nhanh chóng kích hoạt lại để tiết ra các protease có hoạt tính cao nhƣ lipase và amylase trong đƣờng ruột trên, rất hữu ích để phân hủy carbohydrate phức tạp trong thức ăn thực vật. subtilis có thể tạo ra polypeptide có tác dụng đối kháng với mầm bệnh đƣờng ruột, cải thiện hiệu quả khả năng tiêu hóa thức ăn. Ngoài ra, nó có thể đƣợc sử dụng trong xử lý sinh học nƣớc và ngăn ngừa bệnh tật ở các sinh vật nuôi trồng thủy sản nhƣ tôm và cá.