БАКТЕРИАЛНА ГЕНЕТИКА: ОРГАНИЗАЦИЯ, МЕХАНИЗМИ, РЕГУЛАЦИЯ, ТРАНСФЕР - БИОЛОГИЯ - 2025

В бактериални генетика е изследване на основите на генетична информация в клетките на бактериите. Това обхваща организацията на генетичната информация, как се регулира, как се изразява и как варира.

Първите експерименти върху бактериалната генетика са проведени през 19 век, в исторически контекст, в който все още не се знае дали бактериите имат механизми за обмен на генетична информация, дори не се знае дали притежават хромозома.

Бактериална ДНК (Източник: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (беседа) превод: Sponk (беседа) производна работа: Radio89 чрез Wikimedia Commons)

Единствената истинска сигурност беше, че бактериите могат да установят стабилни линии с различни фенотипове, поне за асимилация на различни хранителни съединения и че понякога се появяват нови форми, очевидно поради генетични мутации.

С голямата несигурност, която съществуваше по отношение на бактериите по това време, беше наложително да се отговори на определени въпроси за „бактериалната генетика“ експериментално, особено за да се разбере дали бактериите отговарят на основните принципи на наследствеността.

Накрая, през 1946 г. Джошуа Ледерберг и Едуард Тейтъм решават тези основни въпроси, използвайки два щама бактерии Escherichia coli, щам А и щам В, всеки с различни хранителни изисквания.

Клетките от тип А и В не успяха да растат в минимална среда, тъй като и двете имат мутации, които не им позволяват да усвояват хранителните вещества от споменатата среда.

Въпреки това, когато А и В бяха смесени в продължение на няколко часа и впоследствие засяти върху плочата с минимална среда, на колоните с минимална среда се появиха няколко колонии, т.е. те растат.

Тези колонии произхождат от отделни клетки, които са обменяли генетичен материал и след обмена са в състояние да изразят генетичната информация във фенотипа и по този начин да усвоят хранителните вещества от минималната среда.

Организация на генетичната информация

Цялата генетична информация, необходима за живота на бактерията, се намира в "бактериалната хромозома", една единствена молекула на двуверижна дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

Тази молекула на ДНК е подредена в кръгова структура, затворена от ковалентни връзки и образува заедно с някои протеини бактериалната хромозома.

Бактериите, в допълнение към бактериалната хромозома, могат да имат екстрахромозомни ДНК фрагменти с по-малък размер, но също така структурирани по затворен кръгов начин. Тези молекули на ДНК се наричат ​​колективно "плазмиди" или "плазмидна ДНК".

Плазмидните ДНК молекули се използват от бактериите за обмен на много специфична генетична информация между тях.

Като цяло, когато една от бактериалните клетки развие резистентност срещу антибиотик, той може да предаде тази резистентност към другите бактериални клетки чрез плазмиди.

Размерът на молекулата на плазмидната ДНК при бактериите може да варира от 3 до 10 килограми и при много видове бактерии могат да се намерят стотици копия на един вид плазмид.

Съставът и структурата на ДНК в бактериите е същият като този във всички живи същества и във вирусите. Структурата му се състои от захарен скелет, азотни основи и фосфатни групи.

Пълната карта на бактериалната хромозома Escherichia coli е получена през 1963 г. В нея е описана точната позиция на приблизително 100 гена, но днес е известно, че хромозомата Е. coli съдържа повече от 1000 гена и е с размер 4.2. милиони базови двойки.

Механизми на генна експресия

Механизмът на генната експресия в бактериите е подобен в някои отношения с процеса на генна експресия, който се среща при други живи същества и също зависи от процесите на транскрипция и транслация.

Информацията за гените се преписва в молекула на РНК и впоследствие в последователността на аминокиселини, които съставляват протеините. Този процес е това, което осъществява експресията на информацията, съдържаща се в генотипа, и структурата във фенотипа.

транскрипция

При транскрипцията ензимът РНК полимераза създава допълващ продукт към ДНК сегмент, който използва като шаблон, но този продукт е рибонуклеинова киселина (РНК).

Тази молекула носи информацията за синтеза на протеина, кодиран от ДНК сегмента, тя е една лента и се нарича пратеник РНК. РНК полимеразата на бактериите е различна при бактериите и в еукариотните организми.

РНК полимеразата идентифицира специфичен сайт на ДНК (промотор), където се свързва, за да започне транскрипция. Една молекулна РНК молекула може да съдържа информацията за повече от един ген.

За разлика от еукариотните организми, гените на бактериите нямат „интрони“ в своята последователност, тъй като бактериите нямат ядро, което отделя хромозомата от другите елементи на цитоплазмата.

превод

Тъй като всички елементи са "свободни" в цитоплазмата на бактериалната клетка, новосинтезираните молекули на РНК на пратеника могат да влязат в контакт с рибозомите и да започнат незабавно синтеза на протеини.

Това позволява на бактериите да имат предимство при реагиране и адаптиране към екстремни промени в околната среда.

Рибосомалната РНК, трансферната РНК и различни рибозомни протеини участват в превода. Рибозомите на прокариотните клетки варират по структура и състав по отношение на рибозомите на еукариотните клетки.

Тези елементи "четат" под формата на нуклеотидни триплети (кодони) инструкциите, въплътени в генетичния код на пратените РНК молекули и в същото време те сглобяват всяка от аминокиселините, за да образуват полипептида.

„Универсалността“ на генетичния код позволява на учените да използват превода на бактерии като важен инструмент за синтеза на пептиди и протеини с технологични интереси.

Регулация на генната експресия

Механизмът, който контролира генната експресия в бактериите, е изключително точен; тя им позволява точно да регулират количеството и времето на синтеза на генни продукти, така че те да се появяват само при необходимост.

Район на бактериалния геном, който обединява няколко гена, се нарича „оперон“. Този регион активира или деактивира транскрипцията си в зависимост от условията, в които се намира бактерията.

Всички гени, които са част от един и същ оперон, се преписват координирано в месинджърна РНК, която съдържа много гени (наречени "поликистронна" РНК). Тези РНК се превеждат върху рибозомите последователно, една след друга.

Опероните могат да бъдат регулирани положително или отрицателно. Гените спират да се експресират само когато инхибиторните протеини, наречени репресори, се свързват с определена последователност в структурата си.

Специфичната последователност на гена се нарича "промотор", когато репресорният протеин е свързан с промотора, РНК полимеразата не може да инициира транскрипция на въпросната генетична последователност.

От друга страна, когато опероните са регулирани нагоре, транскрипцията на този генетичен регион няма да започне, докато не се появи активаторен протеин, който се свързва със специфичната последователност на ДНК.

Учените използват тази "индуцибилност" на опероните, за да увеличат или намалят генната експресия на определени интересуващи се бактерии. Чрез въвеждане на някои субстрати може да се увеличи експресията на ензимите, необходими за метаболизма.

Генен трансфер

Бактериите, за разлика от еукариотните клетки, не прехвърлят гените си чрез сексуална репродукция, вместо това могат да направят това чрез три различни процеса: трансформация, трансдукция и конюгация.

Хоризонтален трансфер на гени в бактерии (Източник: 2013MMG320B през Wikimedia Commons)

Трансформация

В трансформация , някои бактериални клетки в населението стават "компетентни". Веднъж "компетентни" те са в състояние да получават екзогенна ДНК от други бактерии, намиращи се в извънклетъчната среда.

След като ДНК е включена в клетъчната вътрешност, бактериите провеждат процес на комбиниране на гените, съдържащи се в тяхната хромозома, с чуждата ДНК, която току-що е била включена в нея. Този процес е известен като генетична рекомбинация.

Трансдукция

При трансдукция бактериите включват ДНК от други бактерии в своята ДНК молекула чрез вируси, които заразяват бактерии (бактериофаги). Това може да се даде по специализиран или обобщен начин.

При специализирана трансдукция се случва, когато фаг, който преди това е заразил друга бактерия, придобие своите гени по време на инфекциозния цикъл.

По-късно, инфектирайки нова бактерия и включвайки нейните гени в хромозомата на новата заразена бактерия, той също включва гени от бактерията, която преди това е заразил.

По време на генерализираната трансдукция, дефектните фагови частици, които имат празните си капсиди, включват част от бактериалната хромозома по време на вирусна репликация, след това, след като заразят друга бактерия, те могат да въведат гените, взети от предишната бактерия.

спрежение

В съчетание бактериите обменят генетичен материал по еднопосочен начин, чрез физически контакт. Една от бактериите действа като донор, а другата като реципиент. В този процес донорните бактерии обикновено дават молекула плазмидна ДНК на реципиентните бактерии.

Конюгацията в бактериите не е характерна за всички видове, конюгационният капацитет се предоставя чрез гени, които се предават чрез плазмидна молекула на ДНК.

Препратки

1. Braun, W. (1953). Бактериална генетика. Бактериална генетика.
2. Brock, TD (1990). Появата на бактериална генетика (№ 579: 575 BRO). Cold Spring Harbour, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (ред.). (1990). Бактериална генетика в естествена среда (стр. 55-80). Лондон: Чапман и Хол.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Въведение в генетичния анализ. Macmillan.
5. Лурия, SE (1947). Скорошен напредък в бактериалната генетика. Бактериологични прегледи, 11 (1), 1.