GENETYKA BAKTERII: ORGANIZACJA, MECHANIZMY, REGULACJA, TRANSFER - BIOLOGIA - 2025

Te genetyczne bakteryjne jest analiza baz informacji genetycznej w komórkach bakterii. Obejmuje to organizację informacji genetycznej, sposób jej regulacji, sposób jej wyrażania i zróżnicowanie.

Pierwsze doświadczenia z genetyką bakterii przeprowadzono w XIX wieku, w kontekście historycznym, w którym nie było jeszcze wiadomo, czy bakterie mają mechanizmy wymiany informacji genetycznej, nie było nawet wiadomo, czy posiadają chromosom.

Bacterial DNA (Źródło: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) tłumaczenie: Sponk (talk) pochodny praca: Radio89 via Wikimedia Commons)

Jedyną prawdziwą pewnością było to, że bakterie mogą tworzyć stabilne linie o różnych fenotypach, przynajmniej w celu przyswajania różnych składników odżywczych, i że czasami pojawiały się nowe formy, najwyraźniej z powodu mutacji genetycznych.

Wobec ogromnej niepewności, jaka istniała w tamtym czasie, co do bakterii, konieczne było udzielenie eksperymentalnej odpowiedzi na niektóre pytania dotyczące „genetyki bakterii”, zwłaszcza w celu zrozumienia, czy bakterie spełniają podstawowe zasady dziedziczenia.

Wreszcie, w 1946 roku Joshua Lederberg i Edward Tatum rozwiązali te podstawowe pytania, używając dwóch szczepów bakterii Escherichia coli, szczepu A i szczepu B, z których każdy ma inne wymagania żywieniowe.

Komórki typu A i B nie były w stanie rosnąć w pożywce minimalnej, ponieważ obie miały mutacje uniemożliwiające im przyswajanie składników odżywczych z tej pożywki.

Jednakże, gdy A i B mieszano przez kilka godzin, a następnie wysiano na płytkę z minimalną pożywką, na płytkach z minimalną pożywką pojawiło się kilka kolonii, tj. Urosły.

Kolonie te pochodziły z pojedynczych komórek, które wymieniły materiał genetyczny i po wymianie były w stanie wyrazić informację genetyczną w fenotypie, a tym samym przyswoić składniki odżywcze z pożywki minimalnej.

Organizacja informacji genetycznej

Cała informacja genetyczna potrzebna do życia bakterii znajduje się w „chromosomie bakteryjnym”, pojedynczej dwuniciowej cząsteczce kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA).

Ta cząsteczka DNA ma strukturę kolistą, zamkniętą wiązaniami kowalencyjnymi i razem z niektórymi białkami tworzy chromosom bakteryjny.

Bakterie, oprócz chromosomu bakteryjnego, mogą posiadać fragmenty pozachromosomalnego DNA o mniejszych rozmiarach, ale także o zamkniętej okrągłej strukturze. Te cząsteczki DNA są zbiorczo nazywane „plazmidami” lub „plazmidowym DNA”.

Cząsteczki plazmidowego DNA są wykorzystywane przez bakterie do wymiany między sobą bardzo szczegółowych informacji genetycznych.

Generalnie, gdy jedna z komórek bakteryjnych rozwinie oporność na antybiotyk, może przekazać tę oporność innym komórkom bakteryjnym poprzez plazmidy.

Rozmiar cząsteczki plazmidowego DNA u bakterii może wahać się od 3 do 10 kilogramów zasad, aw wielu gatunkach bakterii można znaleźć setki kopii jednego typu plazmidu.

Skład i struktura DNA bakterii jest taka sama, jak we wszystkich organizmach żywych i wirusach. Jego struktura składa się ze szkieletu cukrowego, zasad azotowych i grup fosforanowych.

Kompletną mapę chromosomu bakteryjnego Escherichia coli uzyskano w 1963 roku. Zawierała ona szczegółowo dokładną pozycję około 100 genów, ale dziś wiadomo, że chromosom E. coli zawiera ponad 1000 genów i ma wielkość 4,2. milionów par zasad.

Mechanizmy ekspresji genów

Mechanizm ekspresji genów u bakterii jest pod pewnymi względami podobny do procesu ekspresji genów, który zachodzi u innych żywych istot, a także zależy od procesów transkrypcji i translacji.

Informacja o genach jest przepisywana na cząsteczkę RNA, a następnie na sekwencję aminokwasów, z których składają się białka. To właśnie ten proces dokonuje ekspresji informacji zawartych w genotypie i strukturze fenotypu.

Transkrypcja

Podczas transkrypcji enzym polimeraza RNA tworzy produkt komplementarny do segmentu DNA, którego używa jako matrycy, ale tym produktem jest kwas rybonukleinowy (RNA).

Ta cząsteczka przenosi informacje do syntezy białka kodowanego przez segment DNA, jest pojedynczym prążkiem i nazywana jest informacyjnym RNA. Polimeraza RNA bakterii jest różna w bakteriach i organizmach eukariotycznych.

Polimeraza RNA identyfikuje określone miejsce w DNA (promotor), gdzie wiąże się, aby zainicjować transkrypcję. Pojedyncza cząsteczka informacyjnego RNA może zawierać informacje o więcej niż jednym genie.

W przeciwieństwie do organizmów eukariotycznych, geny bakterii nie mają „intronów” w swojej sekwencji, ponieważ bakterie nie mają jądra, które oddziela chromosom od innych elementów cytoplazmy.

Tłumaczenie

Ponieważ wszystkie elementy w cytoplazmie komórki bakteryjnej są „luźne”, nowo zsyntetyzowane cząsteczki informacyjne RNA mogą wejść w kontakt z rybosomami i natychmiast rozpocząć syntezę białek.

Dzięki temu bakterie mają przewagę w reagowaniu i dostosowywaniu się do ekstremalnych zmian w środowisku.

W translacji uczestniczą rybosomalne RNA, transferowe RNA i różne białka rybosomalne. Rybosomy komórek prokariotycznych różnią się strukturą i składem w porównaniu z rybosomami komórek eukariotycznych.

Elementy te „czytają” w postaci trypletów nukleotydów (kodonów) instrukcje zawarte w kodzie genetycznym cząsteczek informacyjnego RNA i jednocześnie łączą każdy z aminokwasów w polipeptyd.

„Uniwersalność” kodu genetycznego pozwala naukowcom na wykorzystanie translacji bakterii jako ważnego narzędzia syntezy peptydów i białek o zainteresowaniach technologicznych.

Regulacja ekspresji genów

Mechanizm kontrolujący ekspresję genów u bakterii jest niezwykle dokładny; pozwala im precyzyjnie regulować ilość i czas syntezy produktów genowych, tak aby zachodziły tylko wtedy, gdy jest to konieczne.

Region genomu bakterii, który grupuje razem kilka genów, nazywany jest „operonem”. Region ten aktywuje lub dezaktywuje swoją transkrypcję w zależności od warunków, w jakich znajduje się bakteria.

Wszystkie geny, które są częścią tego samego operonu, są skoordynowane transkrybowane do informacyjnego RNA, który zawiera wiele genów (zwany „policistronowym” RNA). Te RNA ulegają sekwencyjnej translacji na rybosomach, jeden po drugim.

Operony mogą być regulowane dodatnio lub ujemnie. Geny przestają się wyrażać tylko wtedy, gdy białka hamujące zwane represorami wiążą się z określoną sekwencją w swojej strukturze.

Specyficzna sekwencja genu nazywana jest „promotorem”, gdy białko represorowe jest związane z promotorem, polimeraza RNA nie może zainicjować transkrypcji danej sekwencji genetycznej.

Z drugiej strony, gdy operony są regulowane w górę, transkrypcja tego regionu genetycznego nie rozpocznie się, dopóki nie będzie obecne białko aktywujące, które wiąże się z określoną sekwencją DNA.

Naukowcy wykorzystują tę „indukowalność” operonów do zwiększania lub zmniejszania ekspresji genów w określonych regionach będących przedmiotem zainteresowania u bakterii. Poprzez wprowadzenie niektórych substratów można zwiększyć ekspresję enzymów niezbędnych do metabolizmu.

Transfer genów

Bakterie, w przeciwieństwie do komórek eukariotycznych, nie przenoszą swoich genów poprzez rozmnażanie płciowe; zamiast tego mogą to robić za pomocą trzech różnych procesów: transformacji, transdukcji i koniugacji.

Poziomy transfer genów u bakterii (źródło: 2013MMG320B za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Transformacja

W transformacji , niektóre komórki bakteryjne w populacji stają się „właściwy”. Kiedy są „kompetentni”, są w stanie otrzymywać egzogenny DNA z innych bakterii występujących w środowisku pozakomórkowym.

Gdy DNA zostanie włączone do wnętrza komórki, bakterie przeprowadzają proces łączenia genów zawartych w ich chromosomie z obcym DNA, które właśnie zostało do niego włączone. Ten proces jest znany jako rekombinacja genetyczna.

Transdukcja

Podczas transdukcji bakterie włączają DNA z innych bakterii do swojej cząsteczki DNA za pośrednictwem wirusów infekujących bakterie (bakteriofagi). Można to podać w sposób specjalistyczny lub uogólniony.

W specjalistycznej transdukcji występuje, gdy fag, który wcześniej zainfekował inną bakterię, nabywa swoje geny podczas cyklu infekcyjnego.

Później, zakażając nową bakterię i włączając jej geny do chromosomu nowej zakażonej bakterii, włącza również geny bakterii, którą wcześniej zakażono.

Podczas uogólnionej transdukcji wadliwe cząsteczki fagów, które mają puste kapsydy, włączają część chromosomu bakteryjnego podczas replikacji wirusa, a następnie, gdy zakażą inną bakterię, mogą wprowadzić geny pobrane z poprzedniej bakterii.

Koniugacja

W koniugacji bakterie wymieniają materiał genetyczny w sposób jednokierunkowy, poprzez kontakt fizyczny. Jedna z bakterii pełni rolę dawcy, a druga biorcy. W tym procesie bakterie dawcy generalnie przekazują cząsteczkę plazmidowego DNA bakteriom biorcy.

Koniugacja u bakterii nie jest typowa dla wszystkich gatunków, zdolność koniugacji jest zapewniana przez geny, które są przekazywane przez cząsteczkę plazmidowego DNA.

Bibliografia

1. Braun, W. (1953). Genetyka bakterii. Genetyka bakterii.
2. Brock, TD (1990). Pojawienie się genetyki bakterii (nr 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC i Day, MJ (red.). (1990). Genetyka bakterii w środowisku naturalnym (str. 55-80). Londyn: Chapman and Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT i Miller, JH (2005). Wprowadzenie do analizy genetycznej. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Ostatnie postępy w genetyce bakterii. Przeglądy bakteriologiczne, 11 (1), 1.