BAKTERIEL GENETIK: ORGANISERING, MEKANISMER, REGULERING, OVERFØRSEL - BIOLOGI - 2025

De bakterielle genetik er studiet af bundene af genetisk information i cellerne af bakterierne. Dette dækker organiseringen af ​​genetisk information, hvordan den reguleres, hvordan den udtrykkes, og hvordan den varierer.

De første eksperimenter med bakteriegenetik blev foretaget i det 19. århundrede i en historisk kontekst, hvor det endnu ikke var kendt, om bakterier havde mekanismer til udveksling af genetisk information, det var ikke engang viden om de havde et kromosom.

Bakteriel DNA (Kilde: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (tale) oversættelse: Sponk (tale) derivatarbejde: Radio89 via Wikimedia Commons)

Det eneste, der virkelig var sikkert, var, at bakterier kunne etablere stabile linier med forskellige fænotyper, i det mindste til assimilering af forskellige ernæringsforbindelser, og at der lejlighedsvis dukkede op nye former, tilsyneladende på grund af genetiske mutationer.

Med den store usikkerhed, der eksisterede om bakterier på det tidspunkt, var det bydende nødvendigt at besvare visse spørgsmål om "bakteriegenetik" på en eksperimentel måde, især for at forstå, om bakterier overholder de grundlæggende principper for arvelighed.

Endelig i 1946 løste Joshua Lederberg og Edward Tatum disse grundlæggende spørgsmål ved hjælp af to stammer af Escherichia coli-bakterier, stamme A og stamme B, hver med forskellige ernæringskrav.

Type A- og B-celler var ikke i stand til at vokse i et minimalt medium, da begge havde mutationer, der forhindrede dem i at assimilere næringsstofferne fra nævnte medium.

Når A og B imidlertid blev blandet i et par timer og derefter podet på den minimale mediumplade, dukkede der et par kolonier ud på de minimale mediumplader, dvs. de voksede.

Disse kolonier stammede fra individuelle celler, der havde udvekslet genetisk materiale og efter udvekslingen var i stand til at udtrykke den genetiske information i fænotypen og således assimilere næringsstofferne fra det minimale medium.

Organisering af genetisk information

Al den genetiske information, der er nødvendig for en bakteries levetid, findes i "bakteriekromosom", et enkelt molekyle af dobbeltstrenget deoxyribonukleinsyre (DNA).

Dette DNA-molekyle er arrangeret i en cirkulær struktur lukket med kovalente bindinger og danner sammen med nogle proteiner bakteriekromosomet.

Bakterier kan ud over det bakterielle kromosom også have ekstrakromosomale DNA-fragmenter af mindre størrelse, men også struktureret på en lukket cirkulær måde. Disse DNA-molekyler kaldes samlet "plasmider" eller "plasmid-DNA."

Plasmid-DNA-molekyler bruges af bakterier til at udveksle meget bestemt genetisk information mellem dem.

Generelt, når en af ​​bakteriecellerne udvikler resistens mod et antibiotikum, kan den overføre denne resistens til de andre bakterieceller gennem plasmider.

Størrelsen af ​​plasmid-DNA-molekylet i bakterier kan variere fra 3 til 10 kilo baser, og i mange bakteriearter findes hundreder af kopier af en enkelt type plasmid.

Sammensætningen og strukturen af ​​bakterienes DNA er den samme som findes i alle levende ting og i vira. Dens struktur består af et sukkerskelet, nitrogenholdige baser og fosfatgrupper.

Det komplette kort over bakteriekromosomet af Escherichia coli blev opnået i 1963. Det detaljerede den nøjagtige placering af cirka 100 gener, men i dag vides det, at E. coli-kromosomet indeholder mere end 1000 gener og er 4,2 i størrelse. millioner basepar.

Mekanismer til genekspression

Genekspressionsmekanismen i bakterier ligner i nogle henseender processen med genekspression, der forekommer i andre levende væsener, og afhænger også af processerne med transkription og translation.

Oplysningerne om generne transkriberes til et RNA-molekyle og derefter til sekvensen af ​​aminosyrer, der udgør proteinerne. Denne proces er det, der udfører udtrykket af informationen indeholdt i genotypen og strukturen i fænotypen.

Transskription

Ved transkription skaber RNA-polymeraseenzymet et komplementært produkt til et DNA-segment, som det bruger som en skabelon, men dette produkt er ribonukleinsyre (RNA).

Dette molekyle bærer informationen til syntese af proteinet kodet af DNA-segmentet, det er et enkelt bånd og kaldes messenger RNA. RNA-polymerasen af ​​bakterier er forskellig i bakterier og i eukaryote organismer.

RNA-polymerase identificerer et specifikt sted på DNA (promotor), hvor det binder til at initere transkription. Et enkelt messenger-RNA-molekyle kan indeholde informationen til mere end et gen.

I modsætning til eukaryote organismer har bakteriernes gener ikke "introner" i deres sekvens, da bakterier ikke har en kerne, der adskiller kromosomet fra de andre elementer i cytoplasmaet.

Oversættelse

Da alle elementerne er "løse" i bakteriecellecytoplasmaen, kan de nyligt syntetiserede messenger-RNA-molekyler komme i kontakt med ribosomerne og indlede øjeblikkelig proteinsyntese.

Dette tillader bakterier at have en fordel ved at reagere og tilpasse sig ekstreme ændringer i miljøet.

Ribosomal RNA, transfer RNA og forskellige ribosomale proteiner deltager i translation. Prokaryotiske cellers ribosomer varierer i struktur og sammensætning i forhold til ribosomerne i eukaryote celler.

Disse elementer "læser" i form af nukleotid-tripletter (kodoner) instruktionerne, der er udformet i den genetiske kode for messenger-RNA-molekylerne, og samtidig samler de hver af aminosyrerne til dannelse af polypeptidet.

Den "universalitet" af den genetiske kode giver forskere mulighed for at bruge oversættelse af bakterier som et vigtigt værktøj til syntese af peptider og proteiner med teknologiske interesser.

Regulering af genekspression

Mekanismen, der kontrollerer genekspression i bakterier er ekstremt nøjagtig; det giver dem mulighed for præcist at regulere mængden og tidspunktet for genproduktsyntese, så de kun forekommer når det er nødvendigt.

En region af bakterien genom, der grupperer flere gener kaldes en "operon." Denne region aktiverer eller deaktiverer dens transkription afhængigt af betingelserne, hvori bakterien er.

Alle gener, der er en del af den samme operon, transkriberes koordineret til messenger-RNA, der indeholder mange gener (kaldet "polycistronic" RNA). Disse RNA'er oversættes sekventielt til ribosomer, den ene efter den anden.

Operoner kan reguleres positivt eller negativt. Gener stopper kun med at udtrykke sig, når inhiberende proteiner kaldet repressorer binder til en bestemt sekvens i deres struktur.

Genets specifikke sekvens kaldes "promotor", når repressorproteinet er bundet til promotoren, kan RNA-polymerase ikke initiere transkription af den pågældende genetiske sekvens.

På den anden side, når operoner er opreguleret, vil transkription af den genetiske region først begynde, før der er et aktivatorprotein, der binder til den specifikke DNA-sekvens.

Forskere bruger denne "inducerbarhed" af operoner for at øge eller mindske genekspressionen i visse regioner, der er interesseret i bakterier. Ved at introducere nogle substrater kan ekspressionen af ​​enzymer, der er nødvendige til metabolisme, øges.

Genoverførsel

Bakterier, i modsætning til eukaryote celler, overfører ikke deres gener gennem seksuel reproduktion, de kan i stedet gøre det ved tre forskellige processer: transformation, transduktion og konjugation.

Horisontal genoverførsel i bakterier (Kilde: 2013MMG320B via Wikimedia Commons)

Transformation

Ved transformation bliver nogle bakterieceller i populationen "kompetente". Når de først er "kompetente", er de i stand til at modtage exogent DNA fra andre bakterier, der findes i det ekstracellulære miljø.

Når DNA'et er inkorporeret i celleindretningen, udfører bakterierne en proces til at kombinere generne indeholdt i deres kromosom med det fremmede DNA, der netop er blevet inkorporeret i. Denne proces er kendt som genetisk rekombination.

Transduktion

Ved transduktion inkorporerer bakterier DNA fra andre bakterier i deres DNA-molekyle gennem vira, der inficerer bakterier (bakteriofager). Dette kan gives på en specialiseret eller generaliseret måde.

Ved specialiseret transduktion forekommer det, når en fag, der tidligere har inficeret en anden bakterie, erhverver sine gener under den infektiøse cyklus.

Senere ved at inficere en ny bakterie og inkorporere dens gener i kromosomet af den nye inficerede bakterie, inkorporerer den også gener fra den bakterie, den tidligere havde inficeret.

Under generaliseret transduktion inkorporerer defekte fagpartikler, der har deres tomme kapsider, en del af bakteriekromosomet under virusreplikation, så når de inficerer en anden bakterie, kan de introducere generne, der er taget fra den forrige bakterie.

konjugation

Ved konjugering udveksler bakterier genetisk materiale på en ensrettet måde gennem fysisk kontakt. En af bakterierne fungerer som donor og den anden som modtager. I denne proces giver donorbakterierne generelt et plasmid-DNA-molekyle til de modtagende bakterier.

Konjugering i bakterier er ikke typisk for alle arter; konjugeringskapaciteten tildeles gennem gener, der overføres gennem et plasmid-DNA-molekyle.

Referencer

1. Braun, W. (1953). Bakteriel genetik. Bakteriel genetik.
2. Brock, TD (1990). Fremkomsten af ​​bakteriegenetik (nr. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC & Day, MJ (Eds.). (1990). Bakteriel genetik i naturlige miljøer (s. 55-80). London: Chapman og Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). En introduktion til genetisk analyse. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). De seneste fremskridt inden for bakteriegenetik. Bakteriologiske anmeldelser, 11 (1), 1.