BAKTERIJSKA GENETIKA: ORGANIZACIJA, MEHANIZMI, REGULACIJA, PRENOS - BIOLOGIJA - 2024

V bakterijske genetike je študij osnov genetske informacije v celicah bakterije. To zajema organizacijo genetskih informacij, kako je urejena, kako se izraža in kako se spreminja.

Prvi poskusi na bakterijski genetiki so bili izvedeni v 19. stoletju, v zgodovinskem okviru, v katerem še ni bilo znano, ali imajo bakterije mehanizme za izmenjavo genetskih informacij, sploh ni bilo znano, ali imajo kromosom.

Bakterijska DNK (vir: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (pogovor) prevod: Sponk (pogovor) izvodilno delo: Radio89 prek Wikimedia Commons)

Edina resnična gotovost je bila, da lahko bakterije vzpostavijo stabilne linije z različnimi fenotipi, vsaj za asimilacijo različnih prehranskih spojin in da se občasno pojavijo nove oblike, očitno zaradi genetskih mutacij.

Ob veliki negotovosti, ki je takrat obstajala glede bakterij, je bilo treba eksperimentalno odgovoriti na določena vprašanja o "bakterijski genetiki", zlasti da bi razumeli, ali bakterije izpolnjujejo osnovna načela dednosti.

Končno sta leta 1946 Joshua Lederberg in Edward Tatum rešila ta osnovna vprašanja z uporabo dveh sevov bakterije Escherichia coli, seva A in seva B, ki imata vsaka drugačne prehranske potrebe.

Celice tipa A in B niso mogle rasti v minimalnem mediju, saj sta obe imeli mutacije, ki jima preprečujeta, da bi hranila hranila iz omenjenega medija.

Ko pa sta se A in B nekaj ur mešala in pozneje sejala na ploščico minimalnega medija, se je na minimalnih srednjih ploščah pojavilo nekaj kolonij, to je, da so rasle.

Te kolonije izvirajo iz posameznih celic, ki so izmenjevale gensko snov in so po izmenjavi lahko v fenotipu izrazile genetske informacije in tako prisvojile hranila iz minimalnega medija.

Organizacija genetskih informacij

Vse genetske informacije, ki so potrebne za življenje bakterije, najdemo znotraj "bakterijskega kromosoma", enojne dvoverižne molekule deoksiribonukleinske kisline (DNK).

Ta molekula DNA je razporejena v krožni strukturi, zaprti s kovalentnimi vezmi in skupaj z nekaterimi beljakovinami tvori bakterijski kromosom.

Bakterije imajo poleg bakterijskega kromosoma lahko tudi ekstrahromosomske fragmente DNK manjše velikosti, vendar tudi strukturirane na zaprt krožen način. Te molekule DNK skupaj imenujemo "plazmidi" ali "plazmidni DNK".

Plazmidne molekule DNA bakterije uporabljajo za izmenjavo zelo posebnih genetskih informacij med njimi.

Kadar ena od bakterijskih celic razvije odpornost proti antibiotiku, lahko to rezistenco prenese drugim bakterijskim celicam prek plazmidov.

Velikost molekule plazmidne DNA v bakterijah se lahko razlikuje od 3 do 10 kilogramskih baz, pri mnogih vrstah bakterij pa najdemo na stotine kopij ene same vrste plazmida.

Sestava in struktura DNK bakterij je enaka tisti, ki jo najdemo v vseh živih bitjih in v virusih. Njegova struktura je sestavljena iz sladkornega okostja, dušikovih baz in fosfatnih skupin.

Celoten zemljevid bakterijskega kromosoma Escherichia coli je bil pridobljen leta 1963. Podrobno je natančno določil položaj približno 100 genov, danes pa je znano, da kromosom E. coli vsebuje več kot 1000 genov in ima velikost 4,2. milijon baznih parov.

Mehanizmi izražanja genov

Mehanizem izražanja genov v bakterijah je v nekaterih pogledih podoben procesu izražanja genov, ki se pojavlja pri drugih živih bitjih, odvisen pa je tudi od procesov prepisovanja in prevajanja.

Informacije o genih se prepisujejo v molekulo RNA in nato v zaporedje aminokislin, ki sestavljajo beljakovine. Ta proces je tisto, kar izvaja izražanje informacij, ki jih vsebuje genotip, in strukturo v fenotipu.

Prepisovanje

Pri transkripciji encim RNA polimeraza ustvarja komplementarni izdelek v segmentu DNK, ki ga uporablja kot predlogo, vendar je ta izdelek ribonukleinska kislina (RNA).

Ta molekula nosi informacijo za sintezo proteina, ki ga kodira segment DNK, je en sam pas in se imenuje messenger RNA. RNA polimeraza bakterij je različna pri bakterijah in v evkariontskih organizmih.

RNA polimeraza identificira določeno mesto na DNA (promotor), kjer se veže, da sproži prepisovanje. Ena molekula RNA molekula lahko vsebuje informacije za več kot en gen.

Za razliko od evkariontskih organizmov geni bakterij nimajo "intronov" v svojem zaporedju, saj bakterije nimajo jedra, ki bi ločilo kromosom od ostalih elementov citoplazme.

Prevod

Ker so vsi elementi v citoplazmi bakterijskih celic "ohlapni", lahko na novo sintetizirane molekule RNA v stik z ribosomi in takoj začnejo sintezo beljakovin.

To omogoča bakterijam prednost pri odzivanju in prilagajanju ekstremnim spremembam v okolju.

Pri prevajanju sodelujejo ribosomska RNA, prenosna RNA in različni ribosomalni proteini. Ribosomi prokariotskih celic se razlikujejo po zgradbi in sestavi glede na ribosome evkariontskih celic.

Ti elementi "berejo" v obliki nukleotidnih trojčkov (kodonov) navodila, utelešena v genetskem zapisu sporočilnih molekul RNA, hkrati pa sestavljajo vsako aminokislino in tvorijo polipeptid.

"Univerzalnost" genskega koda znanstvenikom omogoča prevajanje bakterij kot pomembno orodje za sintezo peptidov in beljakovin s tehnološkimi interesi.

Regulacija izražanja genov

Mehanizem, ki nadzoruje izražanje genov v bakterijah, je izjemno natančen; omogoča natančno uravnavanje količine in časa sinteze genskega izdelka, tako da se pojavijo le, kadar je to potrebno.

Območje bakterijskega genoma, ki združuje več genov, se imenuje "operon". To območje aktivira ali izključi njegovo prepisovanje, odvisno od pogojev, v katerih je bakterija.

Vsi geni, ki so del istega operona, so koordinirano prepisani v messenger RNA, ki vsebuje veliko genov (imenovanih "polikistronska" RNA). Te RNK se na ribosomih prevajajo zaporedno, druga za drugo.

Operone je mogoče pozitivno ali negativno urediti. Geni se nehajo izražati šele, ko se inhibitorni proteini, imenovani represorji, vežejo na določeno zaporedje v svoji strukturi.

Specifično zaporedje gena se imenuje "promotor", kadar se represivni protein veže na promotorja, RNA polimeraza ne more začeti prepisovanja zadevnega genetskega zaporedja.

Po drugi strani, ko se operoni nadzirajo, se prepisovanje tega genskega območja ne bo začelo, dokler ne bo prisoten protein aktivatorja, ki se veže na določeno zaporedje DNK.

Znanstveniki to "inducibilnost" operonov uporabljajo za povečanje ali zmanjšanje izražanja genov nekaterih regij, ki jih zanimajo bakterije. Z vnosom nekaterih substratov lahko povečate izražanje encimov, potrebnih za presnovo.

Prenos genov

Bakterije, za razliko od evkariontskih celic, svojih genov ne prenašajo s spolno reprodukcijo, namesto tega jih lahko storijo s tremi različnimi procesi: transformacijo, transdukcijo in konjugacijo.

Vodoravni prenos genov v bakterijah (Vir: 2013MMG320B prek Wikimedia Commons)

Transformacija

Pri preoblikovanju , nekatere bakterijske celice v populaciji postala "pristojni". Ko so "kompetentni", lahko prejmejo zunanjo DNK iz drugih bakterij, ki jih najdemo v zunajceličnem okolju.

Ko je DNK vgrajena v celično notranjost, bakterije izvajajo postopek kombiniranja genov, ki jih vsebuje njihov kromosom, s tuje DNK, ki je bila pravkar vgrajena znotraj. Ta postopek je znan kot genetska rekombinacija.

Transdukcija

Pri transdukciji bakterije v svoje molekule DNK vgradijo DNK drugih bakterij prek virusov, ki okužijo bakterije (bakteriofage). To lahko podate na specializiran ali posplošen način.

Pri specializirani transdukciji se pojavi, ko fag, ki je prej okužil drugo bakterijo, med infekcijskim ciklusom pridobi svoje gene.

Kasneje z okužbo nove bakterije in vključevanjem njenih genov v kromosom nove okužene bakterije vključi tudi gene iz bakterije, ki jo je prej okužil.

Med generalizirano transdukcijo okvarjeni delci faga, ki imajo prazne kapside, vključijo del bakterijskega kromosoma med virusno replikacijo, nato pa lahko, ko okužijo drugo bakterijo, vnesejo gene, prevzete iz prejšnje bakterije.

Konjugacija

V konjugaciji bakterije izmenjujejo genetski material na enosmerni način, s fizičnim stikom. Ena od bakterij deluje kot darovalec, druga pa kot prejemnik. Pri tem postopku bakterije darovalke navadno dajo molekuli plazmidne DNA bakteriji prejemnici.

Konjugacija v bakterijah ni značilna za vse vrste, konjugacijska sposobnost je podeljena z geni, ki se prenašajo preko molekule plazmidne DNA.

Reference

1. Braun, W. (1953). Bakterijska genetika. Bakterijska genetika.
2. Brock, TD (1990). Pojav bakterijske genetike (št. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Laboratorijski tisk Cold Spring Harbor.
3. Fry, JC, & Day, MJ (ur.). (1990). Bakterijska genetika v naravnem okolju (str. 55–80). London: Chapman in Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Uvod v genetsko analizo. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Nedavni napredek bakterijske genetike. Bakteriološki pregledi, 11 (1), 1.