Để nghiên cứu về sự điều hòa theo mô hình operon ở tế bào vi khuẩn E Coli, các nhà khoa học đã thiết kế một “operon lai”, trong đó chứa trình tự các gene của operon tryptophan (Trp) và operon Lactose (Lac), có trình tự điều hòa của operon Trp (như hình dưới đây).

Giả sử sự sinh trưởng của tế bào vi khuẩn E.coli có liên hệ mật thiết với sự có mặt của acid amin tryptophan và chất cho carbon. Chuyển plasmid tái tổ hợp chứa “operon lai” vào dòng tế bào vi khuẩn E. Coli đột biến mất trình tự operon Trp và operon Lac.

Biết rằng operon Trp (Operon tryptophan) trong điều kiện môi trường có tryptophan, operon Trp bị bất hoạt bởi phức hệ tryptophan - protein ức chế; trong khi nếu vắng amino acid này thì operon hoạt động. Do đó, operon này là một loại operon ức chế. Các vi khuẩn vẫn có khả năng sinh trưởng bình thường như các chủng kiểu dại.

Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac ở vi khuẩn E. coli được thể hiện trong sơ đồ sau:

Kiểu gene của vi khuẩn kiểu dại kí hiệu là: I⁺P⁺O⁺Z⁺Y⁺A⁺. Khi phân tích DNA của các chủng vi khuẩn: lacZ^-, lacY^-, lacI^- (các đột biến mất chức năng), lacI^S (lacI^S mã hóa lacI^S là chất ức chế có thể bám vào operator nhưng không thể bám vào chất cảm ứng), hoặc lacO^c (operator của operon lac đột biến làm cho lacI, lacI^S không thể bám vào O^c).

Một operon X có các vùng trình tự qui định chức năng được Kí hiệu M, N, P, Q, tổng hợp các enzyme 1 và enzyme 2 phân giải chất X. Trong đó, mỗi vùng trình tự đã kí hiệu từ M đến Q sẽ là một trong các vị trí sau:

(1) Gene tổng hợp enzyme 1.

(2) Gene tổng hợp enzyme 2.

(3) Vùng khởi động (promoter).

(4) Vùng vận hành (operator).

Biết rằng, gene điều hoà điều khiển hoạt động operon X tổng hợp protein điều hoà có chức năng bình thường. Kết quả chọn lọc các chủng vi khuẩn thu được ở bảng dưới đây khi nuôi cấy trong điều kiện môi trường có chất X và không có chất X, biết (+) enzyme được tổng hợp; (-) enzyme không được tổng hợp.

Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lacZ (mã hóa β-galactosidase), gene lacY (mã hóa permase) thuộc operon Lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi kh4uẩn khác nhau. Nuôi cấy các chủng vi khuẩn E.coli trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở bảng sau:

Operon M ở một chủng vi khuẩn mã hóa 3 enzyme là E1, E2 và E3; Có 5 trình tự A, B, C, D và G chưa biết rõ chức năng. Operon này được điều hòa bởi chất X. Để làm sáng tỏ chức năng của các trình tự, người ta đã theo dõi sự ảnh hưởng của đột biến ở các trình tự từ A đến G dựa trên sự tổng hợp các enzyme được đánh giá thông qua sự có mặt và sự vắng mặt của chất X (Bảng 1).

Bảng 1