BAKTERIÁLIS GENETIKA: SZERVEZET, MECHANIZMUSOK, SZABÁLYOZÁS, TRANSZFER - BIOLÓGIA - 2026

A baktériumgenetika a genetikai információ alapjainak tanulmányozása a baktériumok sejtjein belül. Ez magában foglalja a genetikai információ megszervezését, a szabályozását, a kifejezését és a változását.

A baktériumgenetikával kapcsolatos első kísérleteket a 19. században végezték, egy olyan történelmi környezetben, amikor még nem volt ismert, hogy a baktériumok rendelkeznek-e mechanizmusokkal a genetikai információk cseréjéhez, még azt sem tudták, hogy rendelkeznek-e kromoszómával.

Bakteriális DNS (Forrás: Átlagos_prokarióta_sejt-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) fordítása: Sponk (talk) származékos munka: Radio89 a Wikimedia Commons segítségével)

Az egyetlen valódi bizonyosság az volt, hogy a baktériumok stabil vonalakat képezhetnek különböző fenotípusokkal, legalábbis a különféle táplálkozási vegyületek asszimilációjához, és alkalmanként új formák jelentkeztek, nyilvánvalóan a genetikai mutációk miatt.

A baktériumokkal szemben az akkoriban fennálló nagy bizonytalansággal feltétlenül szükség volt kísérletileg megválaszolni a „baktériumgenetikával” kapcsolatos bizonyos kérdéseket, különösen annak megértése érdekében, hogy a baktériumok megfelelnek-e az öröklés alapelveinek.

Végül, 1946-ban Joshua Lederberg és Edward Tatum ezeket az alapvető kérdéseket az Escherichia coli baktériumok két törzsének, az A törzsnek és a B törzsnek a segítségével oldotta meg, mindegyik eltérő táplálkozási követelményekkel.

Az A és B típusú sejtek nem voltak képesek minimális tápközegben szaporodni, mivel mindkettő mutációi megakadályozták őket abban, hogy az táptalajok az említett táptalajból asszimilálódjanak.

Azonban amikor A és B néhány órán át kevertük, majd az oldatot a minimális táptalajra beoltottuk, néhány kolónia megjelent a minimál táptalajon, azaz növekedtek.

Ezek a kolóniák olyan egyedi sejtekből származtak, amelyek genetikai anyagot cseréltek, és a cseréje után képesek voltak a genetikai információt kifejezni a fenotípusban, és így a minimális tápközegből asszimilálni a tápanyagokat.

A genetikai információk szervezése

A baktérium életéhez szükséges összes genetikai információ a "baktérium-kromoszómában" található, egy kettős szálú dezoxiribonukleinsav (DNS) egyetlen molekulájában.

Ez a DNS-molekula kör alakú struktúrában van elrendezve, kovalens kötésekkel zárva, és egyes fehérjékkel együtt képezi a baktérium kromoszómát.

A baktériumok a baktérium kromoszómán kívül kisebb méretű extrakromoszomális DNS-fragmentumokat is tartalmazhatnak, de zárt kör alakban is felépíthetők. Ezeket a DNS molekulákat együttesen "plazmidok" vagy "plazmid DNS" -nek nevezzük.

A plazmid DNS-molekulákat a baktériumok használják nagyon sajátos genetikai információk cseréjére közöttük.

Általában, ha az egyik baktériumsejt rezisztencia alakul ki egy antibiotikummal szemben, ez a rezisztencia átvihető a többi baktériumsejtbe plazmidokon keresztül.

A plazmid DNS-molekula mérete baktériumokban 3-10 kiló bázisig változhat, és sok baktériumfajban egyetlen plazmidtípus százai példányai találhatók.

A baktériumok DNS-ének összetétele és szerkezete megegyezik az összes élőlényben és a vírusokban megtalálhatóval. Szerkezete cukorvázból, nitrogénbázisokból és foszfátcsoportokból áll.

Az Escherichia coli baktérium-kromoszómájának teljes térképét 1963-ban kapták meg. Ez részletezte körülbelül 100 gén pontos helyzetét, de manapság ismert, hogy az E. coli kromoszóma több mint 1000 gént tartalmaz és 4,2 méretű. millió bázispár.

A gén expressziós mechanizmusai

A gének expressziójának mechanizmusa a baktériumokban bizonyos szempontból hasonló a gén expressziós folyamatához, amely más élőlényekben fordul elő, és függ a transzkripció és transzláció folyamataitól is.

A gének információit átírják egy RNS-molekulára, majd a fehérjéket alkotó aminosavak sorozatára. Ez a folyamat követi a genotípusban levő információk és a fenotípus szerkezetének kifejezését.

Átírás

A transzkripció során az RNS polimeráz enzim komplementer terméket hoz létre egy DNS-szegmenshez, amelyet templátként használ, de ez a termék ribonukleinsav (RNS).

Ez a molekula hordozza a DNS szegmens által kódolt fehérje szintéziséhez szükséges információkat, ez egy sáv, és messenger RNS-nek nevezzük. A baktériumok RNS-polimerázja baktériumokban és eukarióta szervezetekben különbözik.

Az RNS-polimeráz egy specifikus helyet azonosít a DNS-en (promóter), ahol kötődik a transzkripció iniciálásához. Egyetlen hírvivő RNS-molekula egynél több gén információit tartalmazhatja.

Az eukarióta szervezetektől eltérően, a baktériumok génjeinek sorrendje nem rendelkezik "intronokkal", mivel a baktériumoknak nincs olyan magja, amely elválasztja a kromoszómát a citoplazma többi elemétől.

Fordítás

Mivel az összes elem "laza" a baktériumsejt citoplazmájában, az újonnan szintetizált messenger RNS molekulák érintkezésbe kerülhetnek a riboszómákkal, és azonnal megindíthatják a fehérje szintézist.

Ez lehetővé teszi a baktériumok számára a környezeti szélsőséges változásokra való reagálás és az ahhoz való alkalmazkodás előnyeit.

A transzlációban részt vesznek a riboszómális RNS, a transzfer RNS és a különféle riboszómális proteinek. A prokarióta sejtek riboszómái szerkezetükben és összetételükben változnak az eukarióta sejtek riboszómáira viszonyítva.

Ezek az elemek nukleotid hármasok (kodonok) formájában "leolvasják" a hírvivő RNS-molekulák genetikai kódjában szereplő utasításokat, és ugyanakkor mindegyik aminosavat összegyűjtik a polipeptid kialakításához.

A genetikai kód "egyetemessége" lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a baktériumok transzlációját fontos eszközként használják a peptidek és fehérjék szintéziséhez, technológiai érdekkel.

A gén expressziójának szabályozása

A baktériumok génexpresszióját szabályozó mechanizmus rendkívül pontos; lehetővé teszi számukra, hogy pontosan szabályozzák a géntermék szintézisének mennyiségét és ütemezését, hogy csak szükség esetén forduljanak elő.

A baktérium genomnak azt a régióját, amely több gént csoportosít, operonnak nevezzük. Ez a régió aktiválja vagy deaktiválja transzkripcióját a baktérium körülményeitől függően.

Minden gént, amely ugyanazon operon részét képezi, koordináltan átírják messenger RNS-be, amely sok gént tartalmaz ("policisztronos" RNS-nek nevezik). Ezeket az RNS-eket egymás után a riboszómákon transzlálják.

Az operonok pozitívan vagy negatívan szabályozhatók. A gének csak akkor fejezik ki az expressziójukat, amikor a represszoroknak nevezett gátlófehérjék a szerkezetükben egy adott szekvenciához kötődnek.

A gén specifikus szekvenciáját "promoter" -nek nevezzük, amikor a represszor fehérje kötődik a promoterhez, az RNS-polimeráz nem kezdeményezheti a kérdéses genetikai szekvencia transzkripcióját.

Másrészt, ha az operonok fel vannak szabályozva, ennek a genetikai régiónak a transzkripciója nem kezdődik meg, amíg nincs aktiválódó protein, amely kötődik a specifikus DNS-szekvenciához.

A tudósok ezt az operonok "indukálhatóságát" használják a baktériumok szempontjából érdekes bizonyos régiók génexpressziójának növelésére vagy csökkentésére. Egyes szubsztrátok bevezetésével növelhető az anyagcseréhez szükséges enzimek expressziója.

Génátadás

A baktériumok, az eukarióta sejtektől eltérően, nem továbbítják géneiket szexuális szaporodás révén, hanem három különböző folyamaton keresztül: transzformáción, transzdukción és konjugáción keresztül képesek megtenni.

Vízszintes génátvitel baktériumokban (Forrás: 2013MMG320B a Wikimedia Commons segítségével)

átalakítás

Az átalakulás , néhány baktérium sejteket a populációban lesz „illetékes”. Miután "kompetensek", képesek exogén DNS-t kapni az extracelluláris környezetben található más baktériumoktól.

Miután a DNS-t beépítették a sejt belsejébe, a baktériumok elvégzik a kromoszómájukban levő gének és az imént beépített idegen DNS kombinációjának folyamatát. Ezt a folyamatot genetikai rekombinációnak nevezik.

Transduction

A transzdukció során a baktériumok más baktériumok DNS-ét beépítik a DNS-molekulájukba olyan vírusokon keresztül, amelyek megfertőzik a baktériumokat (bakteriofágok). Ezt speciálisan vagy általános módon lehet megadni.

A speciális transzdukció során akkor fordul elő, amikor egy fág, amely korábban egy másik baktériumot fertőzött meg, megszerezte géneit a fertőző ciklus alatt.

Később egy új baktérium megfertőzésével és génjeinek beépítésével az új fertőzött baktérium kromoszómájába beépíti a korábban fertőzött baktérium géneit.

Az általános transzdukció során az üres kapszideikkel rendelkező hibás fágrészecskék a baktérium kromoszómájának egy részét beépítik a vírus replikációja során, majd ha egyszer egy másik baktérium megfertőződik, bejuttathatják az előző baktériumból vett géneket.

Konjugáció

A konjugáció során a baktériumok egyirányú módon cserélnek genetikai anyagot, fizikai érintkezés útján. Az egyik baktérium donorként, a másik pedig recipiensként működik. Ebben az eljárásban a donor baktériumok általában plazmid DNS molekulát adnak a recipiens baktériumoknak.

A baktériumokban tapasztalható konjugáció nem jellemző minden fajra, a konjugációs képesség géneken keresztül történik, amelyeket egy plazmid DNS molekulán továbbítanak.

Irodalom

1. Braun, W. (1953). Bakteriális genetika. Bakteriális genetika.
2. Brock, TD (1990). A baktériumgenetika megjelenése (579: 575 BRO szám). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor laboratóriumi sajtó.
3. Fry, JC, & Day, MJ (szerk.). (1990). Bakteriális genetika természetes környezetben (55-80. Oldal). London: Chapman és Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT és Miller, JH (2005). Bevezetés a genetikai elemzésbe. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). A baktériumgenetika közelmúltbeli fejlődése. Bakteriológiai áttekintés, 11 (1), 1.