Không giống như sinh vật nhân thực, vi khuẩn không có nhân hình thành, tuy nhiên DNA của chúng không nằm rải rác khắp tế bào mà tập trung trong một cấu trúc nhỏ gọn gọi là nucleoid. Về mặt chức năng, nó là một chất tương tự chức năng của một bộ máy hạt nhân.
nucleoid là gì
Một nucleoid của vi khuẩn là một vùng trong tế bào của chúng có chứa vật liệu di truyền có cấu trúc. Không giống như nhân tế bào nhân thực, nó không được ngăn cách bằng màng với phần còn lại của các chất trong tế bào và không có hình dạng cố định. Mặc dù vậy, bộ máy di truyền của vi khuẩn vẫn tách biệt rõ ràng với tế bào chất.
Bản thân thuật ngữ này có nghĩa là "giống hạt nhân" hoặc "vùng hạt nhân". Cấu trúc này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1890 bởi nhà động vật học Otto Buchli, nhưng sự khác biệt của nó với bộ máy di truyền của sinh vật nhân chuẩn đã được xác định vào đầu những năm 1950 nhờ công nghệ kính hiển vi điện tử. Tên "nucleoid" tương ứng với khái niệm "nhiễm sắc thể vi khuẩn", nếu nhiễm sắc thể sau này được chứa trong tế bào trong một bản sao duy nhất.
Nucleoid không bao gồm các plasmid màlà các yếu tố ngoài nhiễm sắc thể của bộ gen vi khuẩn.
Đặc điểm của nucleoid vi khuẩn
Thông thường, nucleoid chiếm phần trung tâm của tế bào vi khuẩn và được định hướng dọc theo trục của nó. Thể tích của sự hình thành nhỏ gọn này không vượt quá 0,5 micromet3, và trọng lượng phân tử thay đổi từ 1 × 109đến 3 × 10 9d alton. Tại một số điểm nhất định, nucleoid được liên kết với màng tế bào.
Nhân vi khuẩn chứa ba thành phần:
- DNA.
- Protein cấu trúc và điều hòa.
- RNA.
ADN có tổ chức nhiễm sắc thể khác với sinh vật nhân thực. Thông thường, nucleoid của vi khuẩn chứa một nhiễm sắc thể hoặc một số bản sao của nó (với sự phát triển tích cực, số lượng của chúng đạt 8 hoặc nhiều hơn). Chỉ tiêu này thay đổi tùy thuộc vào loại và giai đoạn của chu kỳ sống của vi sinh vật. Một số vi khuẩn có nhiều nhiễm sắc thể với các bộ gen khác nhau.
Ở trung tâm của DNA nucleoid được đóng gói khá chặt chẽ. Vùng này không thể tiếp cận với ribosome, các enzym sao chép và phiên mã. Ngược lại, các vòng deoxyribonucleic của vùng ngoại vi của nucleoid tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất và đại diện cho các vùng hoạt động của bộ gen vi khuẩn.
Số lượng thành phần protein trong nucleoid của vi khuẩn không vượt quá 10%, ít hơn khoảng 5 lần so với chất nhiễm sắc của sinh vật nhân chuẩn. Hầu hết các protein liên kết với DNA và tham gia vào cấu trúc của nó. RNA là một sản phẩmphiên mã của các gen vi khuẩn, được thực hiện ở ngoại vi của nucleoid.
Bộ máy di truyền của vi khuẩn là một hệ động có khả năng thay đổi hình dạng và cấu trúc của nó. Nó thiếu nucleoli và bộ máy phân bào đặc trưng của nhân tế bào nhân thực.
Nhiễm sắc thể của vi khuẩn
Trong hầu hết các trường hợp, nhiễm sắc thể nucleoid của vi khuẩn có dạng vòng khép kín. Nhiễm sắc thể tuyến tính ít phổ biến hơn nhiều. Trong mọi trường hợp, những cấu trúc này bao gồm một phân tử DNA đơn, chứa một bộ gen cần thiết cho sự tồn tại của vi khuẩn.
DNA nhiễm sắc thể được hoàn thiện dưới dạng các vòng siêu xoắn. Số lượng vòng lặp trên mỗi nhiễm sắc thể thay đổi từ 12 đến 80. Mỗi nhiễm sắc thể là một bản sao chính thức, vì khi nhân đôi, DNA sẽ được sao chép toàn bộ. Quá trình này luôn bắt đầu từ nguồn gốc của sự sao chép (OriC), được gắn vào màng sinh chất.
Tổng chiều dài của phân tử DNA trong nhiễm sắc thể lớn hơn vài bậc so với kích thước của vi khuẩn, vì vậy cần phải đóng gói nó nhưng vẫn duy trì hoạt động chức năng.
Trong nhiễm sắc thể nhân thực, những nhiệm vụ này được thực hiện bởi các protein chính - histone. Nucleoid của vi khuẩn chứa các protein liên kết DNA chịu trách nhiệm về tổ chức cấu trúc của vật liệu di truyền, đồng thời cũng ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen và sao chép DNA.
Protein liên kết nucleoid bao gồm:
- protein giống histone HU, H-NS, FIS và IHF;
- topoisomerase;
- protein thuộc họ SMC.
2 nhóm cuối cùng có ảnh hưởng lớn nhất đến sự siêu cô đặc của vật liệu di truyền.
Trung hòa các điện tích âm của DNA nhiễm sắc thể được thực hiện bởi các polyamine và ion magiê.
Vai trò sinh học của nucleoid
Trước hết, nucleoid cần thiết cho vi khuẩn để lưu trữ và truyền thông tin di truyền, cũng như thực hiện nó ở cấp độ tổng hợp tế bào. Nói cách khác, vai trò sinh học của sự hình thành này cũng giống như vai trò của DNA.
Các chức năng nucleoid khác của vi khuẩn bao gồm:
- bản địa hóa và nén chặt vật liệu di truyền;
- bao bì chức năng DNA;
- điều hoà sự trao đổi chất.
Cấu trúc DNA không chỉ cho phép phân tử nằm gọn trong một tế bào cực nhỏ mà còn tạo điều kiện cho quá trình sao chép và phiên mã diễn ra bình thường.
Đặc điểm của tổ chức phân tử của nucleoid tạo điều kiện để kiểm soát quá trình trao đổi chất của tế bào bằng cách thay đổi cấu trúc DNA. Sự điều hòa xảy ra bằng cách lặp lại các đoạn nhất định của nhiễm sắc thể vào tế bào chất, giúp chúng có sẵn cho các enzym phiên mã hoặc ngược lại, bằng cách kéo chúng vào.
Phương pháp phát hiện
Có 3 cách để phát hiện trực quan nucleoid trong vi khuẩn:
- kính hiển vi ánh sáng;
- kính hiển vi tương phản pha;
- kính hiển vi điện tử.
Tùy theo phương phápsự chuẩn bị của chế phẩm và phương pháp nghiên cứu, nucleoid có thể trông khác nhau.
Kính hiển vi ánh sáng
Để phát hiện nucleoid bằng kính hiển vi ánh sáng, vi khuẩn được nhuộm sơ bộ để nucleoid có màu khác với phần còn lại của thành phần tế bào, nếu không sẽ không nhìn thấy cấu trúc này. Cũng bắt buộc phải cố định vi khuẩn trên lam kính (trong trường hợp này, vi sinh vật chết).
Qua thấu kính của kính hiển vi ánh sáng, nucleoid trông giống như hình hạt đậu với ranh giới rõ ràng, chiếm phần trung tâm của tế bào.
Phương pháp tô màu
Trong hầu hết các trường hợp, các phương pháp nhuộm vi khuẩn sau đây được sử dụng để hình dung nucleoid bằng kính hiển vi ánh sáng:
- theo Romanovsky-Giemsa;
- Phương pháp Felgen.
Khi nhuộm theo Romanovsky-Giemsa, vi khuẩn được cố định trước trên lam kính bằng cồn metylic, sau đó trong 10 - 20 phút chúng được ngâm tẩm với thuốc nhuộm từ hỗn hợp màu xanh azure, eonine và methylene tương đương., hòa tan trong metanol. Kết quả là nucleoid trở thành màu tím và tế bào chất trở thành màu hồng nhạt. Trước khi soi, vết bẩn được làm ráo nước và rửa phiến kính bằng dịch cất và làm khô.
Phương pháp Feulgen sử dụng phương pháp thủy phân bằng axit yếu. Kết quả là, deoxyribose được giải phóng sẽ chuyển sang dạng aldehyde và tương tác với axit fuchsine-sulphur của thuốc thử Schiff. Kết quả là, nucleoid trở thành màu đỏ, và tế bào chất trở thành màu xanh lam.
Kính hiển vi tương phản pha
Kính hiển vi tương phản pha cóđộ phân giải cao hơn ánh sáng. Phương pháp này không yêu cầu cố định và nhuộm chế phẩm - việc quan sát diễn ra đối với vi khuẩn sống. Các nucleoid trong các tế bào như vậy trông giống như một vùng hình bầu dục sáng màu trên nền của tế bào chất tối. Một phương pháp hiệu quả hơn có thể được thực hiện bằng cách bôi thuốc nhuộm huỳnh quang.
Phát hiện nucleoid bằng kính hiển vi điện tử
Có 2 cách để chuẩn bị chuẩn bị cho việc kiểm tra nucleoid dưới kính hiển vi điện tử:
- cắt siêu mỏng;
- Cắt vi khuẩn đông lạnh.
Trong ảnh hiển vi điện tử của phần siêu mỏng của vi khuẩn, nucleoid có dạng cấu trúc mạng dày đặc bao gồm các sợi mảnh, trông nhẹ hơn so với tế bào chất xung quanh.
Trên một phần của vi khuẩn đông lạnh sau khi nhuộm miễn dịch, nucleoid trông giống như một cấu trúc giống san hô với lõi dày đặc và những phần lồi mỏng thâm nhập vào tế bào chất.
Trong ảnh điện tử, nucleoid của vi khuẩn thường chiếm phần trung tâm của tế bào và có thể tích nhỏ hơn trong tế bào sống. Điều này là do tiếp xúc với các hóa chất được sử dụng để sửa chữa chế phẩm.
