BAKTERIELL GENETIKK: ORGANISERING, MEKANISMER, REGULERING, OVERFØRING - BIOLOGI - 2026

De bakterielle genetikk er studiet av baser av genetisk informasjon i celler av bakterien. Dette omfatter organisering av genetisk informasjon, hvordan den er regulert, hvordan den uttrykkes og hvordan den varierer.

De første eksperimentene på bakteriell genetikk ble utført på 1800-tallet, i en historisk sammenheng der det ennå ikke var kjent om bakterier hadde mekanismer for å utveksle genetisk informasjon, det var ikke en gang kjent om de hadde et kromosom.

Bakteriell DNA (Kilde: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (snakk) oversettelse: Sponk (snakk) derivatarbeid: Radio89 via Wikimedia Commons)

Den eneste virkelige sikkerheten var at bakterier kunne etablere stabile linjer med forskjellige fenotyper, i det minste for assimilering av forskjellige ernæringsforbindelser, og at det av og til dukket opp nye former, tilsynelatende på grunn av genetiske mutasjoner.

Med den store usikkerheten som eksisterte om bakterier den gang, var det viktig å svare på visse spørsmål om "bakteriell genetikk" eksperimentelt, spesielt for å forstå om bakterier oppfylte de grunnleggende arvelighetsprinsippene.

Til slutt, i 1946, løste Joshua Lederberg og Edward Tatum disse grunnleggende spørsmålene ved å bruke to stammer av Escherichia coli-bakteriene, stamme A og stamme B, hver med forskjellige ernæringsmessige krav.

Type A- og B-celler klarte ikke å vokse i et minimalt medium, siden begge hadde mutasjoner som forhindret dem i å assimilere næringsstoffene fra nevnte medium.

Men når A og B ble blandet i noen timer og deretter podet på den minimale mediumplaten, dukket det opp noen få kolonier på de minimale mediumplatene, dvs. de vokste.

Disse koloniene stammet fra individuelle celler som hadde utvekslet genetisk materiale og etter utvekslingen klarte å uttrykke den genetiske informasjonen i fenotypen og dermed assimilere næringsstoffene fra det minimale mediet.

Organisering av genetisk informasjon

All genetisk informasjon som er nødvendig for en bakteries levetid, finnes i "bakteriekromosomet", et enkelt molekyl med dobbeltstrenget deoksyribonukleinsyre (DNA).

Dette DNA-molekylet er anordnet i en sirkulær struktur, lukket av kovalente bindinger, og danner, sammen med noen proteiner, bakteriekromosomet.

Bakterier, i tillegg til bakteriekromosomet, kan ha ekstrakromosomale DNA-fragmenter av mindre størrelse, men også strukturert på en lukket sirkulær måte. Disse DNA-molekylene kalles samlet "plasmider" eller "plasmid-DNA."

Plasmid-DNA-molekyler brukes av bakterier for å utveksle veldig spesiell genetisk informasjon mellom dem.

Generelt, når en av bakteriecellene utvikler resistens mot et antibiotikum, kan den overføre denne resistensen til de andre bakteriecellene gjennom plasmider.

Størrelsen på plasmid-DNA-molekylet i bakterier kan variere fra 3 til 10 kilo baser, og i mange bakterierter kan hundrevis av kopier av en enkelt type plasmid finnes.

Sammensetningen og strukturen til DNA fra bakterier er den samme som finnes i alle levende ting og i virus. Strukturen består av et sukkerskjelett, nitrogenholdige baser og fosfatgrupper.

Det komplette kartet over bakteriekromosomet Escherichia coli ble oppnådd i 1963. Det detaljerte den nøyaktige plasseringen av omtrent 100 gener, men i dag er E. coli-kromosomet kjent å inneholde mer enn 1000 gener og er 4,2 i størrelse. millioner basepar.

Mekanismer for genuttrykk

Genekspressjonsmekanismen i bakterier ligner på noen måter prosessen med genuttrykk som oppstår i andre levende vesener og avhenger også av prosessene for transkripsjon og translasjon.

Informasjonen om genene blir transkribert til et RNA-molekyl og deretter til sekvensen av aminosyrer som utgjør proteinene. Denne prosessen er det som utfører uttrykk for informasjonen i genotypen og strukturen i fenotypen.

transkripsjon

Ved transkripsjon skaper RNA-polymerase-enzymet et komplementært produkt til et DNA-segment som det bruker som mal, men dette produktet er ribonukleinsyre (RNA).

Dette molekylet bærer informasjonen for syntesen av proteinet som kodes av DNA-segmentet, det er et enkelt bånd og kalles messenger RNA. RNA-polymerasen av bakterier er forskjellig i bakterier og i eukaryote organismer.

RNA-polymerase identifiserer et spesifikt sted på DNA (promoter) der det binder seg for å initiere transkripsjon. Et enkelt messenger-RNA-molekyl kan inneholde informasjonen for mer enn ett gen.

I motsetning til eukaryote organismer, har ikke gener av bakterier "introner" i sin sekvens, siden bakterier ikke har en kjerne som skiller kromosomet fra de andre elementene i cytoplasma.

Oversettelse

Siden alle elementene er "løse" i bakteriecellecytoplasma, kan de nylig syntetiserte messenger-RNA-molekylene komme i kontakt med ribosomene og sette i gang proteinsyntese umiddelbart.

Dette gjør at bakterier kan ha en fordel i å svare og tilpasse seg ekstreme endringer i miljøet.

Ribosomalt RNA, overførings-RNA og forskjellige ribosomale proteiner deltar i oversettelse. Ribbosomene til prokaryote celler varierer i struktur og sammensetning i forhold til ribosomene til eukaryote celler.

Disse elementene "leser" i form av nukleotid-trillinger (kodoner) instruksjonene som er utarbeidet i den genetiske koden til messenger-RNA-molekylene, og samtidig samler de hver av aminosyrene for å danne polypeptidet.

Den "universaliteten" i den genetiske koden lar forskere bruke oversettelse av bakterier som et viktig verktøy for syntese av peptider og proteiner med teknologiske interesser.

Regulering av genuttrykk

Mekanismen som kontrollerer genuttrykk i bakterier er ekstremt nøyaktig; den lar dem nøyaktig regulere mengden og tidspunktet for syntesen av genprodukter, slik at de bare forekommer når det er nødvendig.

En region av bakterien genom som grupperer flere gener kalles en "operon." Denne regionen aktiverer eller deaktiverer transkripsjonen avhengig av betingelsene bakterien er i.

Alle gener som er en del av samme operon blir transkoordinert koordinert til messenger-RNA som inneholder mange gener (kalt "polycistronic" RNA). Disse RNAene blir oversatt på ribosomer sekvensielt, etter hverandre.

Operoner kan reguleres positivt eller negativt. Gener slutter bare å uttrykke seg når hemmende proteiner kalt repressorer binder seg til en spesifikk sekvens i strukturen.

Den spesifikke sekvensen til genet kalles "promoter", når repressorproteinet er bundet til promotoren, kan RNA-polymerase ikke starte transkripsjon av den aktuelle genetiske sekvensen.

På den annen side, når operoner er oppregulert, vil transkripsjon av den genetiske regionen ikke begynne før et aktivatorprotein er til stede som binder seg til den spesifikke DNA-sekvensen.

Forskere bruker denne "inducerbarheten" av operoner for å øke eller redusere genuttrykket i visse regioner av interesse for bakterier. Ved å introdusere noen underlag kan ekspresjonen av enzymene som er nødvendige for metabolismen økes.

Genoverføring

Bakterier, i motsetning til eukaryote celler, overfører ikke genene gjennom seksuell reproduksjon, i stedet kan de gjøre det ved tre forskjellige prosesser: transformasjon, transduksjon og konjugering.

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

Transformation

I transformasjon blir noen bakterieceller i befolkningen "kompetente". Når de er "kompetente", kan de motta eksogent DNA fra andre bakterier som finnes i det ekstracellulære miljøet.

Når DNAet er blitt inkorporert i celleinteriøret, gjennomfører bakteriene en prosess for å kombinere genene som er inneholdt i kromosomet deres med det fremmede DNAet som nettopp er blitt inkorporert i det. Denne prosessen er kjent som genetisk rekombinasjon.

transduksjon

I transduksjon inkorporerer bakterier DNA fra andre bakterier i deres DNA-molekyl gjennom virus som infiserer bakterier (bakteriofager). Dette kan gis på en spesialisert eller generalisert måte.

Ved spesialisert transduksjon oppstår det når en fag som tidligere infiserte en annen bakterie skaffer seg gener under den smittsomme syklusen.

Senere, ved å infisere en ny bakterie og innlemme genene i kromosomet til den nye infiserte bakterien, inkorporerer den også gener fra bakterien den tidligere infiserte.

Under generalisert transduksjon innlemmer mangelfulle fagpartikler som har sine tomme kapsider en del av bakteriekromosomet under virusreplikasjon, og når de deretter infiserer en annen bakterie, kan de introdusere genene hentet fra den forrige bakterien.

Bøyning

Ved konjugering utveksler bakterier genetisk materiale på en ensrettet måte, gjennom fysisk kontakt. En av bakteriene fungerer som giver og den andre som mottaker. I denne prosessen gir giverbakteriene generelt et plasmid-DNA-molekyl til mottakerbakteriene.

Konjugering i bakterier er ikke typisk for alle arter, konjugeringskapasiteten gis gjennom gener som overføres gjennom et plasmid-DNA-molekyl.

referanser

1. Braun, W. (1953). Bakteriell genetikk. Bakteriell genetikk.
2. Brock, TD (1990). Fremveksten av bakteriell genetikk (nr. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Bakteriell genetikk 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 introduksjon til genetisk analyse. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Nyere fremskritt innen bakteriegenetikk. Bakteriologiske anmeldelser, 11 (1), 1.