BAKTERIÁLNA GENETIKA: ORGANIZÁCIA, MECHANIZMY, REGULÁCIA, PRENOS - BIOLÓGIE - 2026

Tieto bakteriálne genetika je štúdium základov genetickej informácie v bunkách baktérií. Zahŕňa to organizáciu genetických informácií, ako sú regulované, ako sú vyjadrené a ako sa líšia.

Prvé experimenty s bakteriálnou genetikou sa uskutočnili v 19. storočí, v historickom kontexte, v ktorom ešte nebolo známe, či baktérie majú mechanizmy na výmenu genetických informácií, ani nebolo známe, či majú chromozóm.

Bakteriálna DNA (Zdroj: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) translation: Sponk (talk) derivation work: Radio89 via Wikimedia Commons)

Jedinou skutočnou istotou bolo, že baktérie môžu vytvoriť stabilné línie s rôznymi fenotypmi, aspoň na asimiláciu rôznych výživových látok, a že občas vznikajú nové formy, pravdepodobne kvôli genetickým mutáciám.

S veľkou neistotou, ktorá v tom čase existovala v súvislosti s baktériami, bolo nevyhnutné experimentálne odpovedať na určité otázky týkajúce sa „bakteriálnej genetiky“, najmä aby sme pochopili, či baktérie spĺňajú základné princípy dedičnosti.

Nakoniec v roku 1946 Joshua Lederberg a Edward Tatum vyriešili tieto základné otázky pomocou dvoch kmeňov baktérií Escherichia coli, kmeň A a kmeň B, z ktorých každý mal odlišné výživové požiadavky.

Bunky typu A a B neboli schopné rásť v minimálnom médiu, pretože obe mali mutácie, ktoré im bránili v asimilovaní živín z uvedeného média.

Keď sa však A a B niekoľko hodín zmiešali a následne naočkovali na doštičku s minimálnym médiom, na doštičkách s minimálnym médiom sa objavilo niekoľko kolónií, t.

Tieto kolónie pochádzajú z jednotlivých buniek, ktoré si vymieňali genetický materiál a po výmene boli schopné exprimovať genetickú informáciu vo fenotype, a tak asimilovať živiny z minimálneho média.

Organizácia genetických informácií

Všetky genetické informácie potrebné pre život baktérie sa nachádzajú v „bakteriálnom chromozóme“, jedinej molekule dvojvláknovej kyseliny deoxyribonukleovej (DNA).

Táto molekula DNA je usporiadaná do kruhovej štruktúry uzavretej kovalentnými väzbami a spolu s niektorými proteínmi tvorí bakteriálny chromozóm.

Baktérie môžu okrem bakteriálneho chromozómu obsahovať fragmenty extrachromozomálnej DNA menšej veľkosti, ale tiež štruktúrované uzavretým kruhovým spôsobom. Tieto molekuly DNA sa súhrnne nazývajú „plazmidy“ alebo „plazmidová DNA“.

Molekuly plazmidovej DNA používajú baktérie na výmenu veľmi konkrétnych genetických informácií medzi nimi.

Všeobecne platí, že keď sa u jednej z bakteriálnych buniek vyvinie rezistencia na antibiotikum, môže túto rezistenciu preniesť na ďalšie bakteriálne bunky prostredníctvom plazmidov.

Veľkosť molekuly plazmidu DNA v baktériách sa môže meniť od 3 do 10 kilogramov báz a v mnohých druhoch baktérií je možné nájsť stovky kópií jedného typu plazmidu.

Zloženie a štruktúra DNA baktérií je rovnaká ako vo všetkých živých veciach a vírusoch. Jeho štruktúra pozostáva z kostry cukru, dusíkatých zásad a fosfátových skupín.

Kompletná mapa bakteriálneho chromozómu Escherichia coli bola získaná v roku 1963. Podrobne popisuje presnú polohu približne 100 génov, ale dnes je známe, že chromozóm E. coli obsahuje viac ako 1000 génov a má veľkosť 4,2. miliónov párov báz.

Mechanizmy génovej expresie

Mechanizmus génovej expresie v baktériách je v niektorých ohľadoch podobný procesu génovej expresie, ktorý sa vyskytuje u iných živých bytostí a tiež závisí od procesov transkripcie a translácie.

Informácie o génoch sú transkribované do molekuly RNA a následne do sekvencie aminokyselín, ktoré tvoria proteíny. Tento proces vykonáva expresiu informácií obsiahnutých v genotype a štruktúru fenotypu.

prepis

Pri transkripcii vytvára enzým RNA polymeráza komplementárny produkt k segmentu DNA, ktorý používa ako templát, ale týmto produktom je kyselina ribonukleová (RNA).

Táto molekula nesie informácie pre syntézu proteínu kódovaného segmentom DNA, jedná sa o jediný pás a nazýva sa messenger RNA. RNA polymeráza baktérií sa líši v baktériách a eukaryotických organizmoch.

RNA polymeráza identifikuje špecifické miesto na DNA (promótor), kde sa viaže na začatie transkripcie. Jedna molekula RNA messengera môže obsahovať informácie pre viac ako jeden gén.

Na rozdiel od eukaryotických organizmov gény baktérií nemajú vo svojej sekvencii „intróny“, pretože baktérie neobsahujú jadro, ktoré oddeľuje chromozóm od ostatných prvkov cytoplazmy.

preklad

Pretože všetky prvky sú v cytoplazme bakteriálnych buniek „voľné“, novo syntetizované molekuly mediátora RNA môžu prísť do kontaktu s ribozómami a okamžite zahájiť syntézu proteínov.

To umožňuje baktériám mať výhodu pri reakcii a prispôsobovaní sa extrémnym zmenám v prostredí.

Na translácii sa zúčastňuje ribozomálna RNA, prenosová RNA a rôzne ribozomálne proteíny. Ribozómy prokaryotických buniek sa líšia svojou štruktúrou a zložením v porovnaní s ribozómami eukaryotických buniek.

Tieto prvky sú „čítaním“ vo forme nukleotidových tripletov (kodónov) inštrukcií zahrnutých v genetickom kóde molekúl mediátora RNA a súčasne zostavujú každú z aminokyselín za vzniku polypeptidu.

„Univerzálnosť“ genetického kódu umožňuje vedcom využívať preklad baktérií ako dôležitý nástroj na syntézu peptidov a proteínov s technologickými záujmami.

Regulácia génovej expresie

Mechanizmus, ktorý riadi génovú expresiu v baktériách, je mimoriadne presný; umožňuje im presne regulovať množstvo a načasovanie syntézy génového produktu, takže sa vyskytujú iba v nevyhnutných prípadoch.

Oblasť bakteriálneho genómu, ktorá zoskupuje niekoľko génov, sa nazýva „operón“. Táto oblasť aktivuje alebo deaktivuje svoju transkripciu v závislosti od podmienok, v ktorých je baktéria.

Všetky gény, ktoré sú súčasťou toho istého operónu, sú koordinovane transkribované do messengerovej RNA, ktorá obsahuje veľa génov (nazývaných „polycistronická“ RNA). Tieto RNA sú translatované na ribozómoch postupne, jedna po druhej.

Operóny môžu byť regulované pozitívne alebo negatívne. Gény sa prestanú exprimovať len vtedy, keď sa inhibičné proteíny nazývané represory viažu na špecifickú sekvenciu vo svojej štruktúre.

Špecifická sekvencia génu sa nazýva "promótor", keď je represorový proteín naviazaný na promótor, RNA polymeráza nemôže iniciovať transkripciu príslušnej genetickej sekvencie.

Na druhej strane, keď sú operóny up-regulované, transkripcia tejto genetickej oblasti nezačne, kým nebude prítomný aktivátorový proteín, ktorý sa viaže na špecifickú sekvenciu DNA.

Vedci používajú túto „indukovateľnosť“ operónov na zvýšenie alebo zníženie génovej expresie určitých oblastí záujmu o baktérie. Zavedením niektorých substrátov je možné zvýšiť expresiu enzýmov potrebných na metabolizmus.

Génový prenos

Baktérie, na rozdiel od eukaryotických buniek, neprenášajú svoje gény sexuálnou reprodukciou, ale môžu tak urobiť tromi rôznymi procesmi: transformáciou, transdukciou a konjugáciou.

Horizontálny prenos génov v baktériách (Zdroj: 2013MMG320B prostredníctvom Wikimedia Commons)

premena

Pri transformácii sa niektoré bakteriálne bunky v populácii stanú „kompetentnými“. Keď sú raz „kompetentné“, môžu prijímať exogénnu DNA z iných baktérií nachádzajúcich sa v extracelulárnom prostredí.

Akonáhle je DNA zabudovaná do vnútra bunky, baktérie uskutočňujú proces kombinovania génov obsiahnutých v ich chromozóme s cudzou DNA, ktorá bola do nej práve včlenená. Tento proces je známy ako genetická rekombinácia.

transdukcia

Pri transdukcii baktérie inkorporujú DNA z iných baktérií do svojej molekuly DNA prostredníctvom vírusov, ktoré infikujú baktérie (bakteriofágy). Môže sa to poskytnúť špecializovaným alebo zovšeobecneným spôsobom.

Pri špecializovanej transdukcii nastáva, keď fág, ktorý predtým infikoval inú baktériu, získa svoje gény počas infekčného cyklu.

Neskôr, infikovaním novej baktérie a začlenením jej génov do chromozómu novej infikovanej baktérie, tiež začlení gény z baktérie, ktorú predtým infikovala.

Počas generalizovanej transdukcie začleňujú defektné fágové častice, ktoré majú svoje prázdne kapsidy, časť bakteriálneho chromozómu počas replikácie vírusu a potom, keď infikujú ďalšiu baktériu, môžu zaviesť gény získané z predchádzajúcej baktérie.

časovanie

Pri konjugácii si baktérie vymieňajú genetický materiál jednosmerným spôsobom prostredníctvom fyzického kontaktu. Jedna z baktérií pôsobí ako darca a druhá ako príjemca. V tomto procese darcovské baktérie spravidla dávajú molekulu plazmidovej DNA recipientným baktériám.

Konjugácia v baktériách nie je typická pre všetky druhy, konjugačná kapacita je poskytovaná prostredníctvom génov, ktoré sú prenášané plazmidovou DNA molekulou.

Referencie

1. Braun, W. (1953). Bakteriálna genetika. Bakteriálna genetika.
2. Brock, TD (1990). Výskyt bakteriálnej genetiky (č. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, a Day, MJ (Eds.). (1990). Bakteriálna genetika v prírodných prostrediach (s. 55 - 80). Londýn: Chapman a Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, a Miller, JH (2005). Úvod do genetickej analýzy. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Najnovší pokrok v bakteriálnej genetike. Bakteriologické prehľady, 11 (1), 1.