Plasmid

Plasmid (phát âm IPA: /plæs mɪd/, tiếng Việt: plasmit) là một phân tử DNA vòng, nhỏ, không mang gen chính của bộ gen.

Mỗi tế bào vi khuẩn thường có nhiều plasmid, nhưng chúng chỉ nằm ngoài vùng nhân, trong khi vùng nhân chứa DNA-nhiễm sắc thể (hình 1).

Ở sinh vật có nhân thực (eukaryote), plasmid cũng phổ biến, ví dụ như:

• Điển hình của một người có DNA vòng, bắt nguồn từ plasmid vi khuẩn, tham gia vào quá trình hô hấp;
• Cấu trúc di truyền của cây xanh chứa gen gốc là plasmid phục vụ cho quá trình quang hợp;
• Các vi khuẩn thấp phân tử như nấm men Saccharomyces cerevisiae có plasmid với đường kính lên đến 2 micrômet.

Kích thước của plasmid thay đổi theo từng loại, dao động trong khoảng từ một vài kbp đến hơn 400 kpb (kilobase pairs). Số lượng plasmid cũng thay đổi nhiều tùy thuộc vào loại và tế bào mà chúng nằm trong, thường có từ vài đến vài trăm bản sao trong cùng một tế bào.

Mặc dù plasmid là DNA vòng, nhưng chúng thường tồn tại dưới dạng DNA xoắn siêu (hình 2).

Đặc tính kháng sinh

Plasmid thường chứa các gene hoặc nhóm gene (gene-cassettes) mang lại lợi thế chọn lọc cho vi khuẩn chứa nó, như khả năng kháng kháng sinh. Mỗi plasmid có ít nhất một trình tự DNA đóng vai trò là ori (origin of replication), cho phép plasmid tự sao chép độc lập với DNA nhiễm sắc thể (hình 3).

Episomes

Thuật ngữ episome được giới thiệu lần đầu bởi François Jacob và Élie Wollman vào năm 1958, để chỉ các vật liệu di truyền bên ngoài nhiễm sắc thể có thể tự sao chép hoặc tích hợp vào nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, từ khi thuật ngữ này được đưa ra, việc sử dụng nó đã thay đổi, khi plasmid trở thành thuật ngữ ưa thích để chỉ DNA ngoại nhiễm sắc thể tự sao chép. Tại một hội nghị chuyên đề tại London năm 1968, một số người tham gia đề xuất loại bỏ thuật ngữ episome, mặc dù một số khác vẫn tiếp tục sử dụng thuật ngữ này với ý nghĩa đã thay đổi.

Episomes là những plasmid có khả năng gắn xen vào DNA nhiễm sắc thể của sinh vật chủ (Hình 3). Nhờ tính năng này, chúng có thể tồn tại trong thời gian dài, được sao chép cùng với DNA nhiễm sắc thể khi tế bào phân chia, và trở thành một phần của hệ thống di truyền của tế bào. Thuật ngữ này không còn được dùng cho plasmid, bởi vì ngày nay chúng ta đã biết về trình tự đồng nhất (homology) với nhiễm sắc thể trên plasmid, như transposon, biến plasmid thành episome (giúp plasmid gắn xen vào nhiễm sắc thể).

Vectors

Các plasmid nhân tạo có thể được sử dụng làm vectơ trong công nghệ di truyền. Các plasmid này đóng vai trò quan trọng trong phòng thí nghiệm di truyền học và công nghệ sinh học, nơi chúng thường được sử dụng để sao chép và nhân bản (tạo nhiều bản sao) hoặc biểu hiện các gen cụ thể. Nhiều loại plasmid đã sẵn sàng để sử dụng cho các mục đích này. Gen thường được chèn vào một plasmid, thường chứa các tính năng như khả năng kháng lại các loại kháng sinh cụ thể (ampicillin thường được sử dụng nhất cho các chủng vi khuẩn), một nguồn gốc sao chép để cho phép các tế bào vi khuẩn sao chép DNA plasmid và một vị trí thích hợp để nhân bản (gọi là nơi nhân bản).

Các loại plasmid

Một phương pháp để phân loại các plasmid là dựa vào khả năng chuyển giao gen sang vi khuẩn khác.

Plasmid tiếp hợp (conjugative) có chứa các tra-genes, tham gia vào quá trình phức tạp được gọi là tiếp hợp (conjugation), làm cho plasmid có thể được chuyển giao sang vi khuẩn khác (hình 5).

Plasmid không tiếp hợp là những plasmid không thực hiện được quá trình tiếp hợp tự động, vì vậy chúng chỉ có thể được chuyển sang vi khuẩn khác khi được hỗ trợ (ngẫu nhiên) từ plasmid tiếp hợp.

Còn một nhóm plasmid trung gian gọi là nhóm di chuyển được (mobilisable), chỉ mang các gene cần thiết cho quá trình di chuyển. Những plasmid này có thể chuyển giao với tần suất cao khi có mặt plasmid tiếp hợp.

Nhiều loại plasmid khác nhau có thể tồn tại cùng lúc trong một tế bào, đã có 7 loại plasmid khác nhau được phát hiện trong E. coli. Tuy nhiên, các plasmid có quan hệ họ hàng thường không thể tồn tại cùng lúc - không tương hợp (incompatible), và một trong số chúng sẽ bị loại bỏ khỏi tế bào. Vì vậy, các plasmid được phân vào các nhóm không tương hợp (incompatibility group), dựa trên khả năng cùng tồn tại của chúng trong một tế bào. Việc phân loại theo tính không tương hợp dựa trên cơ chế điều hòa các chức năng quan trọng của plasmid.

Cách tiếp cận khác để phân loại plasmid là dựa vào chức năng của chúng. Có tổng cộng 5 nhóm chính:

• Plasmid sinh dục (Fertility-(F) plasmid), chứa các gene tra, có khả năng truyền dịch gen.
• Plasmid kháng thuốc (Resistance-(R) plasmid), mang các gene kháng lại các loại kháng sinh hoặc các chất độc. Ban đầu được biết đến với thuật ngữ R-factor trước khi được xác định là plasmid.
• Col-plasmid, chứa gene mã hóa cho việc tổng hợp colchicine, một protein có thể giết vi khuẩn.
• Plasmid phân hủy, giúp vi khuẩn phân hủy các chất lạ như toluene hoặc salicylic acid.
• Plasmid mang tính độc hại, khiến cho vi sinh vật trở thành tác nhân gây bệnh.

Một plasmid có thể thuộc một hoặc nhiều nhóm chức năng như đã được liệt kê ở trên.

Những plasmid chỉ có mặt trong một hoặc vài bản sao trong vi khuẩn. Khi vi khuẩn phân chia, sự dồn dập có thể xảy ra, dẫn đến sự mất mát plasmid trong một số tế bào con. Để ngăn chặn tình trạng này, những plasmid này có cơ chế chủ động phân phối các bản sao sang các tế bào con khác nhau.

Một số plasmid khác có cơ chế gây nghiện. Những loại plasmid này tạo ra một loại độc tố có thời gian phân hủy lâu và một chất kháng độc có thời gian phân hủy ngắn. Các tế bào con nào giữ lại được một bản sao plasmid sẽ sống sót, trong khi những tế bào không có plasmid sẽ chết hoặc suy giảm do hiệu ứng độc tố còn tồn lại và không có khả năng tổng hợp chất kháng độc (nằm trên plasmid). Đây là một ví dụ điển hình cho plasmid được xem như là đoạn DNA ích kỉ (selfish DNA).

Các ứng dụng của plasmid

Plasmid đóng vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm di truyền và sinh hóa, nơi chúng được sử dụng để nhân bản hoặc biểu hiện các gene cần quan tâm. Có rất nhiều loại plasmid thương mại hóa được sử dụng cho các ứng dụng này. Ban đầu, gene cần quan tâm được chèn vào plasmid. Plasmid này không chỉ chứa gene cần quan tâm mà còn có thể có một hoặc nhiều gene kháng sinh. Sau đó, plasmid này được chuyển vào vi khuẩn bằng quá trình gọi là biến nạp (transformation). Vi khuẩn sau đó được nuôi trên môi trường chứa kháng sinh. Vi khuẩn mang plasmid sẽ thể hiện khả năng chống lại kháng sinh (nhờ gene kháng sinh trên plasmid), cho phép chúng sống sót trên môi trường nuôi cấy có kháng sinh tương ứng. Trái lại, vi khuẩn không mang plasmid sẽ bị tiêu diệt bởi kháng sinh trong môi trường nuôi cấy. Nhờ đó, plasmid có thể được tách ra, nhân bản, thu hồi và ly giải để phân lập.

Một ứng dụng quan trọng khác của plasmid là sản xuất protein với số lượng lớn. Trong trường hợp này, vi khuẩn mang plasmid chứa gene mong muốn được nuôi cấy và kích hoạt để sản xuất một lượng lớn protein từ gene trên plasmid. Đây là phương pháp đơn giản và chi phí thấp để sản xuất plasmid hoặc protein lớn, chẳng hạn như insulin và các kháng sinh.

Plasmid - yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc ở vi khuẩn

Ở vi khuẩn và một số loài nấm men khác, ngoài gen có trong genophore, còn có các yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc được gọi là plasmid. Plasmid là các phân tử DNA vòng đôi nằm ngoài genophore, có kích thước nhỏ và có khả năng tự nhân lên độc lập với tế bào chủ. Chúng được chia sẻ khi tế bào nhân lên cùng với tế bào mẹ. Số lượng plasmid trong tế bào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, kháng sinh, dinh dưỡng… Các plasmid có thể tồn tại dưới dạng cắm vào genophore, có thể tái kết hợp hoặc không, và có thể có một hoặc nhiều bản sao cùng loại trong một tế bào. Các plasmid không phải là cấu trúc bắt buộc của tế bào nhưng sự có mặt của chúng mang lại cho tế bào nhiều đặc tính có giá trị như khả năng phân hủy một số hợp chất, khả năng chống chịu với điều kiện nhiệt độ bất lợi, và khả năng chống lại các chất kháng sinh… Trong công nghệ sinh học, plasmid được sử dụng như vectơ để chuyển gen từ một tế bào sang tế bào khác, từ đó nhân đôi và tạo ngân hàng genophore hoặc cho gen biểu hiện để sản xuất các sản phẩm protein có hoạt tính sinh học.

Cấu hình

Khi thực hiện điện di (electrophoresis), DNA plasmid có thể xuất hiện dưới 5 dạng cấu hình như sau:

• 'Siêu xoắn' (Supercoiled) (hay 'Dạng vòng đóng bằng liên kết hóa trị'): DNA vẫn nguyên với cả hai mạch không bị cắt đứt.
• 'Vòng tháo xoắn' (Relaxed Circular): DNA vẫn nguyên với cả hai mạch không bị cắt, nhưng plasmid đã được enzyme tháo xoắn.
• 'Siêu xoắn biến tính' (Supercoiled Denatured): Đây không phải là dạng tự nhiên trong tự nhiên. Nó thường xuất hiện với số lượng nhỏ khi bị giải phóng quá mức với kiềm, cả hai mạch không bị cắt nhưng các cặp bổ sung không chính xác, tạo thành cấu hình plasmid rất chặt.
• 'Vòng mở' (Nicked Open-circular): Có một mạch bị cắt.
• 'Mạch thẳng' (Linear): Hai mạch bị cắt ở cùng một vị trí.

Độ di chuyển điện tương đối của các loại cấu hình này trên gel như sau:

• Vòng mở (chậm nhất)
• Mạch thẳng
• Siêu xoắn
• Siêu xoắn biến tính
• Vòng tháo xoắn (nhanh nhất)