BAKTERIÁLNÍ GENETIKA: ORGANIZACE, MECHANISMY, REGULACE, PŘENOS - BIOLOGIE - 2025

Tyto bakteriální genetika je studium základů genetické informace v buňkách bakterií. To zahrnuje organizaci genetických informací, jak jsou regulovány, jak jsou vyjádřeny a jak se liší.

První experimenty na bakteriální genetice byly provedeny v 19. století, v historickém kontextu, ve kterém dosud nebylo známo, zda bakterie mají mechanismy pro výměnu genetické informace, nebylo ani známo, zda mají chromozom.

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

Jedinou skutečnou jistotou bylo, že bakterie mohou vytvořit stabilní linie s různými fenotypy, alespoň pro asimilaci různých výživných látek, a že občas vznikají nové formy, patrně kvůli genetickým mutacím.

S velkou nejistotou, která v té době existovala o bakteriích, bylo nezbytné experimentálně odpovědět na určité otázky týkající se „bakteriální genetiky“, zejména proto, abychom pochopili, zda bakterie splňovaly základní principy dědičnosti.

Nakonec v roce 1946 Joshua Lederberg a Edward Tatum vyřešili tyto základní otázky pomocí dvou kmenů bakterií Escherichia coli, kmen A a kmen B, z nichž každý měl odlišné nutriční požadavky.

Buňky typu A a B nebyly schopny růst v minimálním médiu, protože obě měly mutace, které jim bránily v přizpůsobování živin z uvedeného média.

Když se však A a B smíchaly několik hodin a následně se naočkovaly na destičku s minimálním médiem, objevilo se na destičkách s minimálním médiem několik kolonií, tj. Rostly.

Tyto kolonie pocházely z jednotlivých buněk, které si vyměňovaly genetický materiál a po výměně byly schopny exprimovat genetickou informaci ve fenotypu, a tak asimilovat živiny z minimálního média.

Organizace genetických informací

Všechny genetické informace nezbytné pro život bakterie se nacházejí v „bakteriálním chromozomu“, jediné molekule dvouvláknové deoxyribonukleové kyseliny (DNA).

Tato molekula DNA je uspořádána do kruhové struktury uzavřené kovalentními vazbami a spolu s některými proteiny tvoří bakteriální chromozom.

Bakterie mohou kromě bakteriálního chromozomu obsahovat fragmenty extrachromozomální DNA menší velikosti, ale také strukturované uzavřeným kruhovým způsobem. Tyto molekuly DNA se společně nazývají „plazmidy“ nebo „plazmidová DNA“.

Molekuly plazmidové DNA používají bakterie k výměně velmi konkrétních genetických informací mezi nimi.

Obecně, když se u jedné z bakteriálních buněk vyvine rezistence proti antibiotikům, může tuto rezistenci přenést na další bakteriální buňky prostřednictvím plazmidů.

Velikost molekuly plasmidové DNA v bakteriích se může lišit od 3 do 10 kilo bází a u mnoha druhů bakterií lze nalézt stovky kopií jednoho typu plazmidu.

Složení a struktura DNA bakterií je stejná jako u všech živých věcí a virů. Jeho struktura se skládá z cukerné kostry, dusíkatých bází a fosfátových skupin.

Kompletní mapa bakteriálního chromozomu Escherichia coli byla získána v roce 1963. Podrobně popisuje přesnou polohu přibližně 100 genů, ale dnes je známo, že chromozom E. coli obsahuje více než 1000 genů a má velikost 4,2. milionů párů bází.

Mechanismy genové exprese

Mechanismus genové exprese v bakteriích je v některých ohledech podobný procesu genové exprese, ke kterému dochází u jiných živých bytostí a také závisí na procesech transkripce a translace.

Informace o genech je přepsána na molekulu RNA a následně na sekvenci aminokyselin, které tvoří proteiny. Tento proces provádí expresi informací obsažených v genotypu a strukturu fenotypu.

Transkripce

Při transkripci vytváří enzym RNA polymeráza komplementární produkt k segmentu DNA, který používá jako templát, ale tímto produktem je kyselina ribonukleová (RNA).

Tato molekula nese informace pro syntézu proteinu kódovaného segmentem DNA, jedná se o jediný pás a nazývá se messenger RNA. RNA polymeráza bakterií se liší u bakterií a eukaryotických organismů.

RNA polymeráza identifikuje specifické místo na DNA (promotor), kde se váže k iniciaci transkripce. Jedna molekula RNA messengeru může obsahovat informace pro více než jeden gen.

Na rozdíl od eukaryotických organismů geny bakterií nemají ve své sekvenci „introny“, protože bakterie nemají jádro, které odděluje chromozom od ostatních prvků cytoplazmy.

Překlad

Protože jsou všechny prvky v cytoplazmě bakteriálních buněk „volné“, mohou nově syntetizované molekuly RNA messengerů přijít do styku s ribozomy a okamžitě zahájit syntézu proteinů.

To umožňuje bakteriím mít výhodu v reakci a přizpůsobení se extrémním změnám v prostředí.

Na translaci se podílí ribozomální RNA, přenosová RNA a různé ribozomální proteiny. Ribozomy prokaryotických buněk se liší strukturou a složením v porovnání s ribozomy eukaryotických buněk.

Tyto prvky „čtou“ ve formě nukleotidových tripletů (kodonů) instrukce obsažené v genetickém kódu molekul messenger RNA a současně sestavují každou z aminokyselin za vzniku polypeptidu.

„Univerzálnost“ genetického kódu umožňuje vědcům používat překlad bakterií jako důležitý nástroj pro syntézu peptidů a proteinů s technologickými zájmy.

Regulace genové exprese

Mechanismus, který řídí genovou expresi v bakteriích, je extrémně přesný; umožňuje jim přesně regulovat množství a načasování syntézy genového produktu, takže k nim dochází pouze v případě potřeby.

Oblast bakteriálního genomu, která seskupuje několik genů, se nazývá „operon“. Tato oblast aktivuje nebo deaktivuje její transkripci v závislosti na podmínkách, ve kterých je bakterie.

Všechny geny, které jsou součástí stejného operonu, jsou koordinovaně přepisovány do messengerové RNA, která obsahuje mnoho genů (tzv. „Polycistronická“ RNA). Tyto RNA jsou translatovány na ribosomy postupně, jeden po druhém.

Operony lze regulovat pozitivně nebo negativně. Geny se přestanou samy exprimovat, když se inhibiční proteiny nazývané represory váží na specifickou sekvenci ve své struktuře.

Specifická sekvence genu se nazývá "promotor", když je represorový protein navázán na promotor, RNA polymeráza nemůže zahájit transkripci dané genetické sekvence.

Na druhé straně, když jsou operony up-regulovány, transkripce této genetické oblasti nezačne, dokud nebude přítomen aktivátorový protein, který se váže na specifickou sekvenci DNA.

Vědci používají tuto „inducibilitu“ operonů ke zvýšení nebo snížení genové exprese určitých oblastí zájmu v bakteriích. Zavedením některých substrátů lze zvýšit expresi enzymů nezbytných pro metabolismus.

Přenos genů

Bakterie, na rozdíl od eukaryotických buněk, nepřenášejí své geny pohlavní reprodukcí, ale mohou tak učinit třemi různými procesy: transformací, transdukcí a konjugací.

Horizontální přenos genů v bakteriích (Zdroj: 2013MMG320B prostřednictvím Wikimedia Commons)

Proměna

Při transformaci se některé bakteriální buňky v populaci stávají „kompetentními“. Jakmile jsou „kompetentní“, jsou schopni přijímat exogenní DNA z jiných bakterií nalezených v extracelulárním prostředí.

Jakmile je DNA začleněna do vnitřku buňky, bakterie provádějí proces kombinování genů obsažených v jejich chromozomu s cizí DNA, která byla do ní právě včleněna. Tento proces je známý jako genetická rekombinace.

Převod

Při transdukci bakterie začleňují DNA z jiných bakterií do své molekuly DNA prostřednictvím virů, které infikují bakterie (bakteriofágy). To lze poskytnout specializovaným nebo zobecněným způsobem.

Ve specializované transdukci dochází, když fág, který dříve infikoval jinou bakterii, získá své geny během infekčního cyklu.

Později infikováním nové bakterie a začleněním jejích genů do chromozomu nové infikované bakterie také začlení geny z bakterie, kterou dříve infikovala.

Během generalizované transdukce vadné fágové částice, které mají své prázdné kapsidy, začleňují část bakteriálního chromozomu během replikace viru, a jakmile infikují další bakterii, mohou zavést geny odebrané z předchozí bakterie.

Časování

Při konjugaci si bakterie vyměňují genetický materiál jednosměrným způsobem prostřednictvím fyzického kontaktu. Jedna z bakterií působí jako dárce a druhá jako příjemce. V tomto procesu dárcovské bakterie obecně dávají molekulu plazmidové DNA recipientním bakteriím.

Konjugace v bakteriích není typická pro všechny druhy, konjugační kapacita je poskytována prostřednictvím genů, které jsou přenášeny molekulou plazmidové DNA.

Reference

1. Braun, W. (1953). Bakteriální genetika. Bakteriální genetika.
2. Brock, TD (1990). Vznik bakteriální genetiky (č. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Bakteriální genetika v přírodním prostředí (str. 55–80). Londýn: Chapman a Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Úvod do genetické analýzy. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Nedávný pokrok v bakteriální genetice. Bakteriologické recenze, 11 (1), 1.