BAKTERIJSKA GENETIKA: ORGANIZACIJA, MEHANIZMI, REGULACIJA, PRIJENOS - BIOLOGIJA - 2026

Su bakterijske genetika je proučavanje genetskih baza podataka u stanicama bakterija. To uključuje organizaciju genetskih informacija, kako je ona regulirana, kako se izražava i kako varira.

Prvi eksperimenti na bakterijskoj genetici provedeni su u 19. stoljeću, u povijesnom kontekstu u kojem još nije bilo poznato imaju li bakterije mehanizme za razmjenu genetskih podataka, nije se znalo posjeduju li ni kromosom.

Bakterijska DNK (Izvor: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Razlika_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (razgovor) prijevod: Sponk (razgovor) derivatni rad: Radio89 putem Wikimedia Commons)

Jedina istinska sigurnost bila je da bakterije mogu uspostaviti stabilne linije s različitim fenotipovima, barem za asimilaciju različitih prehrambenih spojeva, te da se povremeno pojavljuju novi oblici, očito zbog genetskih mutacija.

Uz veliku nesigurnost koja je tada postojala u vezi s bakterijama, bilo je neophodno eksperimentalno odgovoriti na određena pitanja o „bakterijskoj genetici“, posebno da bi se razumjelo jesu li bakterije udovoljile osnovnim načelima nasljednosti.

Konačno, 1946. Joshua Lederberg i Edward Tatum riješili su ta osnovna pitanja koristeći dva soja bakterije Escherichia coli, soj A i soj B, svaki s različitim prehrambenim potrebama.

Stanice tipa A i B nisu mogle rasti u minimalnom mediju jer su obje imale mutacije koje su ih spriječile da asimiliraju hranjive tvari iz navedenog medija.

Međutim, kad su se A i B miješali nekoliko sati i potom posijali na ploču s minimalnim sredstvom, nekoliko kolonija se pojavilo na ploči s minimalnim sredstvom, tj. One su rasle.

Te su kolonije nastale iz pojedinih stanica koje su razmjenjivale genetski materijal i nakon razmjene bile su u stanju izraziti genetske informacije u fenotipu i tako asimilirati hranjive tvari iz minimalnog medija.

Organizacija genetskih informacija

Sve genetske informacije potrebne za život bakterije nalaze se unutar "bakterijskog kromosoma", jednostruke molekule dvolančane deoksiribonukleinske kiseline (DNA).

Ova molekula DNA raspoređena je u kružnoj strukturi, zatvorenoj kovalentnim vezama, i zajedno s nekim proteinima tvori bakterijski kromosom.

Bakterije, osim bakterijskog kromosoma, mogu posjedovati ekstrahromosomske fragmente DNK manje veličine, ali također strukturirane na zatvoreni kružni način. Te se molekule DNA zajedno nazivaju "plazmidi" ili "plazmidni DNK".

Plazmidne molekule DNA koriste bakterije za razmjenu vrlo određenih genetskih informacija između njih.

Općenito, kada jedna od bakterijskih stanica razvije rezistenciju na antibiotik, ona može prenijeti tu rezistenciju na ostale bakterijske stanice putem plazmida.

Veličina molekule plazmidne DNA u bakterijama može varirati od 3 do 10 kilograma, a kod mnogih vrsta bakterija mogu se naći stotine primjeraka jedne vrste plazmida.

Sastav i struktura DNK bakterija je jednaka onoj koja se nalazi u svim živim bićima i u virusima. Njegova se struktura sastoji od kostura šećera, dušičnih baza i fosfatnih skupina.

Kompletna mapa bakterijskog kromosoma Escherichia coli dobivena je 1963. godine. Ona daje detaljan točan položaj otprilike 100 gena, no danas je poznato da kromosom E. coli sadrži više od 1000 gena i da ima veličinu 4,2. milion baznih parova.

Mehanizmi ekspresije gena

Mehanizam ekspresije gena bakterija u nekim je aspektima sličan procesu ekspresije gena koji se događa kod drugih živih bića, a ovisi i o procesima transkripcije i prevođenja.

Podaci o genima prepisuju se u RNA molekulu, a potom na slijed aminokiselina koje čine proteine. Ovaj postupak je ono što provodi izražavanje informacija sadržanih u genotipu i strukture u fenotipu.

Transkripcija

U transkripciji enzim RNA polimeraza stvara komplementarni produkt u DNK segmentu koji koristi kao predložak, ali ovaj produkt je ribonukleinska kiselina (RNA).

Ova molekula nosi informaciju za sintezu proteina kodiranog DNK segmentom, ona je jednostruka traka i zove se glasnik RNA. RNA polimeraza bakterija različita je u bakterijama i u eukariotskim organizmima.

RNA polimeraza identificira specifično mjesto na DNK (promotoru) gdje se veže za pokretanje transkripcije. Jedna molekularna RNA molekula može sadržavati informacije za više gena.

Za razliku od eukariotskih organizama, geni bakterija nemaju "introne" u svom slijedu, budući da bakterije nemaju jezgru koja razdvaja kromosom od ostalih elemenata citoplazme.

Prijevod

Kako su svi elementi "crijevni" u citoplazmi bakterijskih stanica, novo sintetizirane molekule RNA mogu doći u kontakt s ribosomima i odmah započeti sintezu proteina.

To omogućava bakterijama prednost u reagiranju i prilagođavanju ekstremnim promjenama u okolini.

U prijevodu sudjeluju ribosomalna RNA, prijenosna RNA i različiti ribosomalni proteini. Ribosomi prokariotskih stanica razlikuju se u strukturi i sastavu u odnosu na ribosome eukariotskih stanica.

Ti elementi "čitaju" u obliku nukleotidnih trostrukih (kodona) uputa utjelovljenih u genetskom kodu glasnika molekula RNA i istovremeno sastavljaju svaku aminokiselinu radi stvaranja polipeptida.

"Univerzalnost" genetskog koda omogućuje znanstvenicima da prijevod bakterija koriste kao važno sredstvo za sintezu peptida i proteina koji imaju tehnološki interes.

Regulacija ekspresije gena

Mehanizam koji kontrolira ekspresiju gena u bakterijama izuzetno je precizan; omogućava im precizno reguliranje količine i vremena sinteze genskog proizvoda, tako da se one događaju samo kada je to potrebno.

Područje bakterijskog genoma koji grupira nekoliko gena naziva se "operon". Ovo područje aktivira ili deaktivira svoju transkripciju ovisno o uvjetima u kojima se nalazi bakterija.

Svi geni koji su dio istog operona koordinirano se prepisuju u messenger RNA koja sadrži mnogo gena (nazvanih "polikistronička" RNA). Ove RNK prevode se na ribosomima jedan za drugim.

Operoni se mogu pozitivno ili negativno regulirati. Geni se prestaju izražavati tek kad se inhibitorni proteini zvani repressori vežu na specifičan niz u svojoj strukturi.

Specifična sekvenca gena naziva se "promotor", kad se represorski protein veže na promotor, RNA polimeraza ne može pokrenuti transkripciju dotičnog genetskog niza.

S druge strane, kada su operoni regulirani, transkripcija tog genetskog područja neće započeti sve dok ne postoji protein aktivatora koji se veže za specifični slijed DNA.

Znanstvenici koriste ovu "inducibilnost" operona kako bi povećali ili smanjili ekspresiju gena određenih regija koje su zanimljive za bakterije. Uvođenjem nekih supstrata može se povećati ekspresija enzima koji su potrebni za metabolizam.

Prijenos gena

Bakterije, za razliku od eukariotskih stanica, svoje gene ne prenose spolnom reprodukcijom, već to mogu učiniti pomoću tri različita procesa: transformacije, transdukcije i konjugacije.

Horizontalni prijenos gena u bakterijama (Izvor: 2013MMG320B putem Wikimedia Commons)

transformacija

Transformacijom , neke bakterijske stanice u populaciji postaju "kompetentne". Jednom "kompetentni" mogu primiti egzogenu DNK od drugih bakterija koje se nalaze u izvanćelijskom okruženju.

Nakon što se DNK ugradi u staničnu unutrašnjost, bakterije provode postupak kombiniranja gena sadržanih u njihovom kromosomu sa stranom DNK koja je upravo ugrađena u nju. Taj je postupak poznat kao genetska rekombinacija.

sstanično

U transdukciji, bakterije uključuju svoju DNA iz drugih bakterija u svoju molekulu DNA putem virusa koji inficiraju bakterije (bakteriofage). To se može dati na specijalizirani ili generalizirani način.

U specijaliziranoj transdukciji nastaje kada fag koji je prethodno zarazio drugu bakteriju stekne svoje gene tijekom infektivnog ciklusa.

Kasnije, inficiranjem nove bakterije i ugrađivanjem njenih gena u kromosom nove zaražene bakterije, ona također uključuje gene iz bakterije koju je prethodno zarazila.

Tijekom generalizirane transdukcije, oštećene čestice faga koje imaju prazne kapside ugrađuju dio bakterijskog kromosoma tijekom virusne replikacije, tada, kad zaraze drugom bakterijom, mogu uvesti gene uzete iz prethodne bakterije.

Konjugacija

U konjugaciji, bakterije razmjenjuju genetski materijal jednosmjerno, kroz fizički kontakt. Jedna od bakterija djeluje kao donor, a druga kao primatelj. U ovom procesu, bakterije donore uglavnom daju molekuli plazmidne DNA bakterijama primateljima.

Konjugacija u bakterijama nije tipična za sve vrste, kapacitet konjugacije daje se putem gena koji se prenose plazmidnom molekulom DNA.

Reference

1. Braun, W. (1953). Bakterijska genetika. Bakterijska genetika.
2. Brock, TD (1990). Nastanak bakterijske genetike (br. 579: 575 BRO). Hladna proljetna luka, NY: Laboratorijska presa hladne proljeće.
3. Fry, JC, i Day, MJ (ur.). (1990). Bakterijska genetika u prirodnom okruženju (str. 55-80). London: Chapman i Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, i Miller, JH (2005). Uvod u genetsku analizu. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Nedavni napredak bakterijske genetike. Bakteriološki pregledi, 11 (1), 1.