BAKTERIELL GENETIK: ORGANISATION, MEKANISMER, REGLERING, ÖVERFÖRING - BIOLOGI - 2025

De bakteriella genetiken är studiet av grunderna för genetisk information i cellerna hos bakterierna. Detta omfattar organisationen av genetisk information, hur den regleras, hur den uttrycks och hur den varierar.

De första experimenten med bakteriell genetik genomfördes under 1800-talet, i ett historiskt sammanhang där det ännu inte var känt om bakterier hade mekanismer för att utbyta genetisk information, det var inte ens känt om de hade en kromosom.

Bakteriell DNA (Källa: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Översättning av Sponk (diskussion): Sponk (diskussion)): derivatarbete: Radio89 via Wikimedia Commons)

Den enda verkliga säkerheten var att bakterier kunde etablera stabila linjer med olika fenotyper, åtminstone för assimilering av olika näringsföreningar, och att ibland uppstod nya former, uppenbarligen på grund av genetiska mutationer.

Med den stora osäkerheten som fanns om bakterier vid den tiden, var det nödvändigt att svara på vissa frågor om "bakteriell genetik" experimentellt, särskilt för att förstå om bakterier uppfyllde de grundläggande principerna om ärftlighet.

Slutligen, 1946, löste Joshua Lederberg och Edward Tatum dessa grundläggande frågor med hjälp av två stammar av Escherichia coli-bakterier, stam A och stam B, var och en med olika näringsbehov.

Typ A- och B-celler kunde inte växa i ett minimalt medium, eftersom båda hade mutationer som hindrade dem från att samla näringsämnena från nämnda medium.

Men när A och B blandades i några timmar och därefter ympades på den minimala mediumplattan, dök det upp några få kolonier på de minimala mediumplattorna, dvs de växte.

Dessa kolonier härstammade från enskilda celler som hade utbytt genetiskt material och efter utbytet kunde uttrycka den genetiska informationen i fenotypen och därmed assimilera näringsämnena från det minimala mediet.

Organisering av genetisk information

All genetisk information som är nödvändig för en bakteries livslängd finns i "bakteriekromosomen", en enda molekyl med dubbelsträngad deoxiribonukleinsyra (DNA).

Denna DNA-molekyl är arrangerad i en cirkulär struktur, stängd av kovalenta bindningar, och bildar, tillsammans med några proteiner, bakteriekromosomen.

Bakterier kan, utöver bakteriekromosomen, ha extrakromosomala DNA-fragment av mindre storlek, men också strukturerade på ett stängt cirkulärt sätt. Dessa DNA-molekyler kallas kollektivt "plasmider" eller "plasmid-DNA."

Plasmid-DNA-molekyler används av bakterier för att utbyta mycket speciell genetisk information mellan dem.

I allmänhet, när en av bakteriecellerna utvecklar resistens mot ett antibiotikum, kan den överföra den resistensen mot de andra bakteriecellerna genom plasmider.

Storleken på plasmid-DNA-molekylen i bakterier kan variera från 3 till 10 kilo baser och i många bakteriesorter kan hundratals kopior av en enda typ av plasmid hittas.

Sammansättningen och strukturen för bakteriens DNA är densamma som den som finns i alla levande saker och i virus. Strukturen består av en sockerryggrad, kvävebas och fosfatgrupper.

Den fullständiga kartan över bakteriekromosomen i Escherichia coli erhölls 1963. Den specificerade den exakta positionen för cirka 100 gener, men idag är det känt att E. coli-kromosomen innehåller mer än 1000 gener och är 4,2 i storlek. miljoner baspar.

Mekanismer för genuttryck

Genuttrycksmekanismen i bakterier liknar i vissa avseenden processen för genuttryck som förekommer i andra levande varelser och beror också på processerna för transkription och translation.

Informationen om generna transkriberas till en RNA-molekyl och därefter till sekvensen av aminosyror som utgör proteinerna. Denna process är det som utför uttrycket av informationen i genotypen och strukturen i fenotypen.

Transkription

Vid transkription skapar RNA-polymerasenzym en komplementär produkt till ett DNA-segment som det använder som en mall, men denna produkt är ribonukleinsyra (RNA).

Denna molekyl innehåller informationen för syntesen av det protein som kodas av DNA-segmentet, det är ett enda band och kallas messenger RNA. RNA-polymeraset av bakterier är olika i bakterier och i eukaryota organismer.

RNA-polymeras identifierar en specifik plats på DNA (promotor) där det binder till att initiera transkription. En RNA-molekyl med en enda budbärare kan innehålla informationen för mer än en gen.

Till skillnad från eukaryota organismer, har bakteriernas gener inte "introner" i sin sekvens, eftersom bakterier inte har en kärna som skiljer kromosomen från de andra elementen i cytoplasma.

Översättning

Eftersom alla elementen är "lös" i bakteriecellscytoplasma kan de nyligen syntetiserade messenger-RNA-molekylerna komma i kontakt med ribosomerna och initiera proteinsyntes omedelbart.

Detta tillåter bakterier att ha en fördel med att svara och anpassa sig till extrema förändringar i miljön.

Ribosomalt RNA, överförings-RNA och olika ribosomala proteiner deltar i översättningen. Prokaryota cellers ribosomer varierar i struktur och sammansättning relativt ribosomerna i eukaryota celler.

Dessa element "läser" i form av nukleotid-tripletter (kodoner) instruktionerna som är förkroppsliga i den genetiska koden för messenger-RNA-molekylerna och samtidigt monterar de var och en av aminosyrorna för att bilda polypeptiden.

Genomförandekodens "universalitet" gör det möjligt för forskare att använda översättningen av bakterier som ett viktigt verktyg för syntes av peptider och proteiner med tekniska intressen.

Reglering av genuttryck

Mekanismen som styr genuttryck i bakterier är extremt exakt; det tillåter dem att exakt reglera mängden och tidpunkten för genproduktsyntes, så att de endast förekommer vid behov.

En region av bakteriegenomet som grupperar flera gener kallas en "operon". Denna region aktiverar eller inaktiverar transkriptionen beroende på förhållandena där bakterien är.

Alla gener som ingår i samma operon transkriberas koordinerat till messenger-RNA som innehåller många gener (kallad "polycistronic" RNA). Dessa RNA: er översätts på ribosomer i följd, en efter en.

Operon kan regleras positivt eller negativt. Gener slutar bara att uttrycka sig när hämmande proteiner som kallas repressorer binder till en specifik sekvens i deras struktur.

Genens specifika sekvens kallas "promotor", när repressorproteinet är bundet till promotorn, kan RNA-polymeras inte initiera transkriptionen av den aktuella genetiska sekvensen.

Å andra sidan, när operoner är uppreglerade, kommer transkription av den genetiska regionen inte att börja förrän ett aktivatorprotein är närvarande som binder till den specifika DNA-sekvensen.

Forskare använder denna "inducerbarhet" av operoner för att öka eller minska genuttrycket i vissa regioner av intresse för bakterier. Genom att införa några substrat kan uttrycket av enzymerna som är nödvändiga för metabolism ökas.

Genöverföring

Till skillnad från eukaryota celler överför inte bakterierna sina gener genom sexuell reproduktion, utan kan istället göra det genom tre olika processer: transformation, transduktion och konjugation.

Horisontell genöverföring i bakterier (Källa: 2013MMG320B via Wikimedia Commons)

Omvandling

I transformation blir vissa bakterieceller i befolkningen "kompetenta". När de är "kompetenta" kan de ta emot exogent DNA från andra bakterier som finns i den extracellulära miljön.

När DNA har inkorporerats i cellen inuti genomför bakterierna en process för att kombinera generna i deras kromosom med det främmande DNA som just har införlivats i. Denna process kallas genetisk rekombination.

transduktion

Vid transduktion införlivar bakterier DNA från andra bakterier i deras DNA-molekyl genom virus som infekterar bakterier (bakteriofager). Detta kan ges på ett specialiserat eller generaliserat sätt.

Vid specialiserad transduktion inträffar det när en fag som tidigare infekterat en annan bakterie får sina gener under infektionscykeln.

Senare, genom att infektera en ny bakterie och införliva dess gener i kromosomen för den nya infekterade bakterien, införlivar den också gener från den bakterie som den tidigare infekterats.

Under generaliserad transduktion inkluderar defekta fagpartiklar som har sina tomma kapsider en del av bakteriekromosomen under viral replikation, då de, när de infekterar en annan bakterie, kan introducera generna från den föregående bakterien.

Konjugation

Vid konjugering utbyter bakterier genetiskt material på ett riktningssätt genom fysisk kontakt. En av bakterierna fungerar som givare och den andra som mottagare. I denna process ger givarbakterierna i allmänhet en plasmid-DNA-molekyl till de mottagande bakterierna.

Konjugering i bakterier är inte typisk för alla arter, konjugeringskapaciteten beviljas genom gener som överförs genom en plasmid-DNA-molekyl.

referenser

1. Braun, W. (1953). Bakteriell genetik. Bakteriell genetik.
2. Brock, TD (1990). Framväxten av bakteriell genetik (nr 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Bakteriell genetik i naturliga miljöer (s. 55-80). London: Chapman och Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). En introduktion till genetisk analys. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Nya framsteg inom bakteriegenetik. Bakteriologiska recensioner, 11 (1), 1.