БАКТЕРИЈСКА ГЕНЕТИКА: ОРГАНИЗАЦИЈА, МЕХАНИЗМИ, РЕГУЛАЦИЈА, ТРАНСФЕР - БИОЛОГИЈА - 2025

У бактеријски генетика је студија од основа генетских информација унутар ћелија бактерија. Ово обухвата организацију генетских информација, како је она регулисана, како се изражава и како варира.

Први експерименти на бактеријској генетици спроведени су у 19. веку, у историјском контексту у којем још није било познато да ли бактерије имају механизме за размену генетских информација, није се знало ни да ли поседују хромозом.

Бактеријска ДНК (Извор: Просечна_прокариота_цела-_ен.свг: Маријана Руиз Виљареал, ЛадиофХатсДифференце_ДНА_РНА-ЕН.свг: * Разлика_ДНА_РНА-ДЕ.свг: Спонк (разговор) превод: Спонк (разговор) изводни рад: Радио89 преко Викимедиа Цоммонс)

Једина истинска сигурност била је да бактерије могу успоставити стабилне линије са различитим фенотиповима, бар за асимилацију различитих хранљивих једињења, и да се повремено појаве нови облици, очигледно због генетских мутација.

Уз велику несигурност која је постојала у вези с бактеријама, било је неопходно експериментално одговорити на одређена питања о „бактеријској генетици“, посебно да би се разумело да ли бактерије испуњавају основне принципе наследности.

Коначно, 1946. године, Јосхуа Ледерберг и Едвард Татум су ријешили ова основна питања користећи два соја бактерије Есцхерицхиа цоли, сој А и сој Б, сваки са различитим храњивим потребама.

Ћелије типа А и Б нису биле у стању да расту у минималном медијуму, пошто су обе имале мутације које су их спречавале да асимилирају хранљиве материје из поменутог медијума.

Међутим, када су се А и Б мешали неколико сати и потом сејали на плочу са минималним средством, на колотерама са минималним средствима дошло је неколико колонија, тј. Оне су расле.

Те колоније потичу од појединачних ћелија које су размењивале генетски материјал и после размене били су у стању да изразе генетске информације у фенотипу и на тај начин усвоје хранљиве материје из минималног медијума.

Организација генетских информација

Све генетске информације неопходне за живот бактерије налазе се унутар "бактеријског хромосома", једног молекула дволанчане деоксирибонуклеинске киселине (ДНК).

Овај молекул ДНК је смештен у кружној структури, затворен ковалентним везама, и заједно са неким протеинима формира бактеријски хромосом.

Бактерије, поред бактеријског хромозома, могу да поседују екстрахромосомске фрагменте ДНК мање величине, али и структуиране на затворени кружни начин. Ови молекули ДНК заједно се називају "плазмиди" или "плазмидни ДНК".

Плазмидни молекули ДНК користе бактерије за размену врло посебних генетских информација између њих.

Генерално, када једна од бактеријских ћелија развије резистенцију на антибиотик, она може да преноси ту резистенцију на остале бактеријске ћелије путем плазмида.

Величина молекула плазмидне ДНК у бактеријама може варирати од 3 до 10 килограма, а код многих врста бактерија стотине примерака једне врсте плазмида могу се наћи.

Састав и структура ДНК бактерија је једнака оној која се налази у свим живим бићима и у вирусима. Његова структура састоји се од костура шећера, азотних база и фосфатних група.

Комплетна мапа бактеријског кромосома Есцхерицхиа цоли добијена је 1963. године. Детаљно је дефинисала тачан положај од око 100 гена, али данас се зна да хромозом Е. цоли садржи више од 1000 гена и да има величину од 4.2. милион базних парова.

Механизми експресије гена

Механизам експресије гена у бактеријама је у неким аспектима сличан процесу експресије гена који се јавља код других живих бића и такође зависи од процеса транскрипције и превођења.

Информације из гена преписују се у РНА молекулу, а потом у низ аминокиселина које чине протеине. Овај процес је оно што врши експресију информација садржаних у генотипу и структуре у фенотипу.

Транскрипција

У транскрипцији ензим РНА полимераза ствара комплементарни производ у ДНК сегменту који користи као образац, али овај производ је рибонуклеинска киселина (РНА).

Овај молекул носи информацију за синтезу протеина кодираног ДНК сегментом, он је једнопојасни и назива се гласник РНА. РНА полимераза бактерија је различита у бактеријама и у еукариотским организмима.

РНА полимераза идентификује одређено место на ДНК (промотору) где се веже да иницира транскрипцију. Један молекулски РНА молекул може да садржи информацију за више од једног гена.

За разлику од еукариотских организама, гени бактерија немају „интроне“ у свом низу, јер бактерије немају језгро које раздваја хромозом од осталих елемената цитоплазме.

Превод

Пошто су сви елементи „цитоплазми“ у цитоплазми бактеријских ћелија, ново-синтетизовани гласници РНА молекуле могу доћи у контакт са рибосомима и одмах започети синтезу протеина.

То омогућава бактеријама предност у реаговању и прилагођавању екстремним променама у окружењу.

У преводу учествују Рибосомална РНА, трансфер РНА и различити рибосомални протеини. Рибосоми прокариотских ћелија варирају у структури и саставу у односу на рибосоме еукариотских ћелија.

Ови елементи „читају“ у облику нуклеотидних троструких (кодона) упутстава утрошених у генетском коду гласника молекула РНК и истовремено састављају сваку аминокиселину да би формирали полипептид.

"Универзалност" генетског кода омогућава научницима да користе превод бактерија као важно средство за синтезу пептида и протеина који имају технолошке интересе.

Регулација експресије гена

Механизам који контролише експресију гена у бактеријама изузетно је прецизан; омогућава им прецизно регулисање количине и времена синтезе генског производа, тако да се оне јављају само када је то потребно.

Подручје бактеријског генома који групира неколико гена назива се „оперон“. Ова регија активира или деактивира своју транскрипцију у зависности од стања у којима се налази бактерија.

Сви гени који су део истог оперона координирано се преписују у мессенгер РНА која садржи много гена (названих "поликистроничка" РНА). Ове РНК преводе се на рибосомима секвенцијално, једна за другом.

Оперони се могу позитивно или негативно регулисати. Гени се престају испољавати тек када се инхибиторни протеини звани репресиви везују за одређену секвенцу у својој структури.

Специфична секвенца гена назива се "промотор", када је протеин репресора везан за промотор, РНА полимераза не може покренути транскрипцију дотичне генетске секвенце.

С друге стране, када су оперони регулисани, транскрипција тог генетског региона неће почети све док не постоји протеин активатора који се веже за специфичну секвенцу ДНК.

Научници користе ову "индуцибилност" оперона да би повећали или смањили експресију гена одређених области које су занимљиве за бактерије. Увођењем неких супстрата може се повећати експресија ензима неопходних за метаболизам.

Трансфер гена

Бактерије, за разлику од еукариотских ћелија, своје гене не преносе сексуалном репродукцијом, већ то могу учинити три различита процеса: трансформација, трансдукција и коњугација.

Хоризонтални пренос гена у бактеријама (Извор: 2013ММГ320Б преко Викимедиа Цоммонс)

Трансформација

Трансформацијом , неке бактеријске ћелије у популацији постају "компетентне". Једном „компетентни“ могу примити вањску ДНК од других бактерија које се налазе у ванћелијском окружењу.

Једном када се ДНК угради у ћелијску унутрашњост, бактерије спроводе процес комбиновања гена садржаних у њиховом хромозому са страном ДНК која је управо уграђена у њу. Овај процес је познат и као генетска рекомбинација.

Трансдукција

У трансдукцији, бактерије уграђују ДНК из других бактерија у свој ДНК молекул путем вируса који инфицирају бактерије (бактериофаге). То се може дати на специјализовани или генерализовани начин.

У специјализованој трансдукцији настаје када фаг који је претходно инфицирао другу бактерију стекне своје гене током инфективног циклуса.

Касније, инфицирањем нове бактерије и уграђивањем њених гена у хромосом нове заражене бактерије, она такође укључује гене из бактерије коју је претходно заразила.

За време генерализоване трансдукције, дефектне честице фага које имају празне капсиде уграђују део бактеријског хромосома током вирусне репликације, а потом, када инфицирају другу бактерију, могу да уведу гене узете из претходне бактерије.

Коњугација

У коњугацији, бактерије размењују генетски материјал једносмерно, физичким контактом. Једна од бактерија делује као донор, а друга као прималац. У овом процесу, донаторске бактерије углавном дају плазмидни молекул ДНК бактеријама примаоцима.

Коњугација у бактеријама није типична за све врсте; капацитет коњугације се даје путем гена који се преносе плазмидним молекулом ДНК.

Референце

1. Браун, В. (1953). Бактеријска генетика. Бактеријска генетика.
2. Броцк, ТД (1990). Појава бактеријске генетике (бр. 579: 575 БРО). Цолд Спринг Харбор, НИ: Цолд Спринг Харбор Лаборатори Пресс.
3. Фри, ЈЦ, и Даи, МЈ (ур.). (1990). Бактеријска генетика у природном окружењу (стр. 55-80). Лондон: Цхапман анд Халл.
4. Гриффитхс, АЈ, Весслер, СР, Левонтин, РЦ, Гелбарт, ВМ, Сузуки, ДТ, и Миллер, ЈХ (2005). Увод у генетску анализу. Мацмиллан.
5. Луриа, СЕ (1947). Недавни напредак у бактеријској генетици. Бактериолошки прегледи, 11 (1), 1.