Vào những năm 1950, hai nhà khoa học Monod và Jacob đã nghiên cứu phát hiện ra cơ chế điều hòa biểu hiện của operon lac ở vi khuẩn E. coli. Monod và Jacob đã tiến hành thí nghiệm tìm hiểu cơ chế lactose có thể gây cảm ứng khiến tế bào E. coli tổng hợp các enzyme phân giải lactose. Hai ông đã sử dụng các dòng đột biến gene ở vi khuẩn E. coli và nuôi cấy chúng trong điều kiện môi trường có lactose và không có lactose. Sau đó, xác định lượng các loại enzyme tham gia quá trình phân giải lactose trong tế bào (gồm enzyme β galactosidase có chức năng phân giải lactose, permease có chức năng vận chuyển lactose vào tế bào và transacetylase sau này được biết là có chức năng khử các chất độc vào tế bào). Một trong các thí nghiệm của hai ông được tiến hành như sau:

Lô đối chứng: Nuôi vi khuẩn E. coli trong môi trường không có lactose và có các amino acid đánh dấu phóng xạ.

Lô thí nghiệm: Nuôi vi khuẩn E. coli trong môi trường có lactose và các amino acid đánh dấu phóng xạ.

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

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 permease), gene lacA (mã hóa transacetylase) thuộc operon lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy; protein ức chế (LacI) do gene ức chế lacI quy định. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi khuẩn khác nhau và được nuôi cấy trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở Bảng 1: