BAKTEERIGENETIIKKA: ORGANISOINTI, MEKANISMIT, SÄÄTELY, SIIRTO - BIOLOGIA - 2025

Bakteerien genetiikka on tutkimuksen perusteista geneettisen tiedon solujen sisällä bakteerien. Tämä kattaa geneettisen informaation järjestämisen, miten se on säännelty, miten se ilmaistaan ​​ja miten se vaihtelee.

Ensimmäiset bakteerigenetiikkaa koskevat kokeet tehtiin 1800-luvulla. Historiallisessa tilanteessa, jossa ei vielä ollut tiedossa, oliko bakteereilla mekanismeja vaihtaa geneettistä tietoa, ei edes tiedetty, onko heillä kromosomi.

Bakteerien DNA (Lähde: Keskiarvo_prokaryote_solu-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) käännös: Sponk (talk) -johdannaisteos: Radio89 Wikimedia Commonsissa)

Ainoa todellinen varmuus oli, että bakteerit pystyivät luomaan vakaat linjat erilaisilla fenotyypeillä ainakin erilaisten ravintoyhdisteiden assimilaatiota varten, ja että toisinaan syntyi uusia muotoja, jotka ilmeisesti johtuvat geneettisistä mutaatioista.

Bakteereihin tuolloin liittyneen suuren epävarmuuden vuoksi oli välttämätöntä vastata kokeellisesti tiettyihin "bakteerigenetiikkaa" koskeviin kysymyksiin, etenkin ymmärtääkseen, täyttävätkö bakteerit perinnöllisyyden perusperiaatteet.

Lopuksi, vuonna 1946, Joshua Lederberg ja Edward Tatum ratkaisivat nämä peruskysymykset käyttämällä kahta Escherichia coli -bakteerikantaa, kantaa A ja kantaa B, jokaisella oli erilaisia ​​ravitsemustarpeita.

Tyypin A ja B solut eivät kyenneet kasvamaan minimaalisessa väliaineessa, koska molemmilla oli mutaatioita, jotka estävät niitä sulautumasta ravintoaineisiin mainitusta väliaineesta.

Kuitenkin, kun A ja B sekoitettiin muutaman tunnin ajan ja sen jälkeen kylvettiin minimaaliseen väliainelevyyn, muutama pesäke ilmestyi minimaaliseen väliainelevyyn, ts. Ne kasvoivat.

Nämä pesäkkeet olivat peräisin yksittäisistä soluista, jotka olivat vaihtaneet geneettistä materiaalia ja vaihdon jälkeen kyenneet ilmaisemaan geneettisen informaation fenotyypissä ja näin omaksumaan ravintoaineet minimiväliaineesta.

Geneettisen tiedon organisointi

Kaikki bakteerin elämän kannalta tarpeelliset geneettiset tiedot löytyvät "bakteerikromosomista", yhdestä kaksijuosteisesta deoksiribonukleiinihappomolekyylistä (DNA).

Tämä DNA-molekyyli on järjestetty pyöreään rakenteeseen, suljettu kovalenttisilla sidoksilla ja muodostaa yhdessä joidenkin proteiinien kanssa bakteerikromosomin.

Bakteerit voivat bakteerikromosomin lisäksi sisältää myös kromosomivälisiä DNA-fragmentteja, jotka ovat pienempiä, mutta myös rakenteellisia suljetulla ympyränmuodolla. Näitä DNA-molekyylejä kutsutaan kollektiivisesti "plasmideiksi" tai "plasmidi-DNA: ksi".

Bakteerit käyttävät plasmidi-DNA-molekyylejä vaihtamaan hyvin erityistä geneettistä tietoa niiden välillä.

Yleensä, kun yksi bakteerisoluista kehittää resistenssin antibioottia vastaan, se voi siirtää tämän resistenssin toisiin bakteerisoluihin plasmidien kautta.

Plasmidi-DNA-molekyylin koko bakteereissa voi vaihdella 3 - 10 kiloemästä ja monista bakteereista löytyy satoja kopioita yksittäisestä plasmidityypistä.

Bakteerien DNA: n koostumus ja rakenne on sama kuin kaikissa elävissä esineissä ja viruksissa. Sen rakenne koostuu sokerirungosta, typpipitoisista emäksistä ja fosfaattiryhmistä.

Escherichia colin bakteerikromosomin täydellinen kartta saatiin vuonna 1963. Siinä selvitettiin noin 100 geenin tarkka sijainti, mutta tänään tiedetään, että E. colin kromosomi sisältää yli 1000 geeniä ja on kooltaan 4,2. miljoonaa perusparia.

Geeniekspression mekanismit

Geenien ilmentymismekanismi bakteereissa on joissain suhteissa samanlainen kuin muissa elävissä olennoissa tapahtuva geeniekspressioprosessi, ja se riippuu myös transkription ja translaation prosesseista.

Geenien tiedot transkriptoidaan RNA-molekyyliin ja sen jälkeen aminohappojen sekvenssiin, jotka muodostavat proteiinit. Tämä prosessi suorittaa genotyyppiin sisältyvän tiedon ja fenotyypin rakenteen ilmaisun.

transkriptio

Transkriptiossa RNA-polymeraasientsyymi luo komplementaarisen tuotteen DNA-segmenttiin, jota se käyttää templaattina, mutta tämä tuote on ribonukleiinihappo (RNA).

Tämä molekyyli kuljettaa tietoa DNA-segmentin koodaaman proteiinin synteesille, se on yksi kaista ja sitä kutsutaan lähetti-RNA: ksi. Bakteerien RNA-polymeraasi on erilainen bakteereissa ja eukaryoottisissa organismeissa.

RNA-polymeraasi tunnistaa tietyn kohdan DNA: ssa (promoottori), jossa se sitoutuu aloittamaan transkription. Yksi messenger-RNA-molekyyli voi sisältää informaation useammasta kuin yhdestä geenistä.

Toisin kuin eukaryoottiset organismit, bakteerien geeneillä ei ole "introneja" sekvenssissään, koska bakteereilla ei ole ydintä, joka erottaa kromosomin muista sytoplasman elementeistä.

Käännös

Koska kaikki elementit ovat "löysät" bakteerisolujen sytoplasmassa, vasta syntetisoidut lähetti-RNA-molekyylit voivat joutua kosketukseen ribosomien kanssa ja aloittaa proteiinisynteesin heti.

Tämä antaa bakteereille etua reagoida ja sopeutua ympäristön äärimmäisiin muutoksiin.

Ribosomaalinen RNA, siirto RNA ja erilaiset ribosomaaliset proteiinit osallistuvat translaatioon. Prokaryoottisolujen ribosomien rakenne ja koostumus vaihtelevat suhteessa eukaryoottisolujen ribosomeihin.

Nämä elementit "lukevat" nukleotidkolmioiden (kodonien) muodossa ohjeita, jotka sisältyvät lähetti-RNA-molekyylien geneettiseen koodiin, ja samalla ne kokoavat kumpikin aminohapoista muodostamaan polypeptidin.

Geneettisen koodin "yleismaailmallisuus" antaa tutkijoille mahdollisuuden käyttää bakteerien käännöstä tärkeänä välineenä peptidien ja proteiinien synteesissä, jolla on teknisiä etuja.

Geeniekspression säätely

Mekanismi, joka hallitsee geenien ilmentymistä bakteereissa, on erittäin tarkka; se antaa heille mahdollisuuden säätää tarkkaan geenituotteiden synteesin määrää ja ajoitusta niin, että ne tapahtuvat vain tarvittaessa.

Bakteerien genomin aluetta, joka ryhmittelee useita geenejä, kutsutaan "operoniksi". Tämä alue aktivoi tai deaktivoi sen transkription olosuhteista riippuen, joissa bakteeri on.

Kaikki geenit, jotka ovat osa samaa operonia, transkriptoidaan koordinaattisesti Messenger-RNA: han, joka sisältää monia geenejä (kutsutaan "monisistroniseksi" RNA: ksi). Nämä RNA: t translatoidaan ribosomeissa peräkkäin, peräkkäin.

Operoneja voidaan säätää positiivisesti tai negatiivisesti. Geenit lopettaa itsensä ilmentymisen vain, kun repressoreiksi kutsutut estävät proteiinit sitoutuvat tiettyyn sekvenssiin rakenteessaan.

Geenin spesifistä sekvenssiä kutsutaan "promoottoriksi", kun repressoriproteiini on sitoutunut promoottoriin, RNA-polymeraasi ei voi aloittaa kyseisen geneettisen sekvenssin transkriptiota.

Toisaalta, kun operoneja säädellään ylöspäin, kyseisen geenialueen transkriptio ei ala, ennen kuin on olemassa aktivaattoriproteiini, joka sitoutuu spesifiseen DNA-sekvenssiin.

Tutkijat käyttävät tätä operonien "indusoitavuutta" lisätäkseen tai vähentämään tiettyjen bakteerien kiinnostavien alueiden geeniekspressiota. Lisäämällä joitain substraatteja aineenvaihduntaan tarvittavien entsyymien ilmentymistä voidaan lisätä.

Geenisiirto

Bakteerit, toisin kuin eukaryoottisolut, eivät siirrä geenejään seksuaalisen lisääntymisen kautta, vaan sen sijaan ne voivat tehdä niin kolmella eri prosessilla: transformaatio, transduktio ja konjugaatio.

Horisontaalinen geeninsiirto bakteereissa (Lähde: 2013MMG320B Wikimedia Commonsin kautta)

muutos

Transformaatiossa , jotkut bakteerisolut väestössä tullut "toimivaltainen". Kun he ovat "päteviä", he kykenevät vastaanottamaan eksogeenisen DNA: n muista bakteereista, joita löytyy solunulkoisesta ympäristöstä.

Kun DNA on sisällytetty solun sisätilaan, bakteerit suorittavat prosessin, jossa niiden kromosomissa olevat geenit yhdistetään vieraan DNA: n kanssa, joka on juuri sisällytetty siihen. Tämä prosessi tunnetaan geneettisenä rekombinaationa.

transduktio

Transduktiossa bakteerit sisällyttävät muiden bakteerien DNA: ta niiden DNA-molekyyliinsa virusten kautta, jotka tartuttavat bakteereihin (bakteriofaagit). Tämä voidaan antaa erikoistuneesti tai yleisesti.

Erikoistuneessa transduktiossa se tapahtuu, kun faagi, joka aiemmin infektoi toisen bakteerin, hankkii geeninsä tartuntajakson aikana.

Myöhemmin infektoimalla uusi bakteeri ja sisällyttämällä sen geenit uuden tartunnan saaneen bakteerin kromosomiin, se sisällyttää myös geenit bakteerista, jonka se on aiemmin saastuttanut.

Yleistyneen transduktion aikana vialliset faagihiukkaset, joissa on tyhjät kapsiidit, sisältävät osan bakteerikromosomista viruksen replikaation aikana, sitten kun he ovat saastuttaneet toisen bakteerin, ne voivat viedä edellisestä bakteerista otetut geenit.

konjugaatio

Konjugaatiossa bakteerit vaihtavat geneettistä materiaalia yksisuuntaisella tavalla fyysisen kosketuksen kautta. Yksi bakteereista toimii luovuttajana ja toinen vastaanottajana. Tässä prosessissa luovuttajabakteerit yleensä antavat plasmidi-DNA-molekyylin vastaanottajabakteereille.

Konjugaatio bakteereissa ei ole tyypillinen kaikille lajeille, konjugaatiokyky annetaan geenien kautta, jotka välittyvät plasmidi-DNA-molekyylin kautta.

Viitteet

1. Braun, W. (1953). Bakteerien genetiikka. Bakteerien genetiikka.
2. Brock, TD (1990). Bakteerigenetiikan synty (nro 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor -laboratoriolehti.
3. Fry, JC, & Day, MJ (toim.). (1990). Bakteerigenetiikka luonnollisissa ympäristöissä (s. 55-80). Lontoo: Chapman ja Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, ja Miller, JH (2005). Johdanto geenianalyysiin. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Viimeaikaiset edistykset bakteerigenetiikassa. Bakteriologiset katsaukset, 11 (1), 1.