GENETICA BACTERIANA: ORGANIZARE, MECANISME, REGLARE, TRANSFER - BIOLOGIE - 2025

Cele geneticii bacteriene este studiul bazelor de informatii genetice in celulele de bacterii. Aceasta cuprinde organizarea informațiilor genetice, modul în care acestea sunt reglementate, modul în care acestea sunt exprimate și modul în care acestea variază.

Primele experimente asupra geneticii bacteriene au fost efectuate în secolul al XIX-lea, într-un context istoric în care nu se știa încă dacă bacteriile au mecanisme de schimb de informații genetice, nici măcar nu se știa dacă dețineau un cromozom.

ADN bacterian (Sursa: Media_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (discuție): lucrare derivată Sponk (discuție): Radio89 prin Wikimedia Commons)

Singurul lucru care era cu adevărat sigur era că bacteriile puteau stabili linii stabile cu fenotipuri diferite, cel puțin pentru asimilarea diferiților compuși nutriționali și că, ocazional, au apărut forme noi, aparent datorate mutațiilor genetice.

Datorită marii incertitudini care existau la momentul respectiv, a fost imperativ să răspundem la anumite întrebări despre „genetica bacteriană” într-un mod experimental, în special pentru a înțelege dacă bacteriile respectă principiile de bază ale eredității.

În cele din urmă, în 1946, Joshua Lederberg și Edward Tatum au rezolvat aceste întrebări de bază folosind două tulpini de bacterii Escherichia coli, tulpina A și tulpina B, fiecare cu cerințe nutritive diferite.

Celulele de tip A și B nu au putut să crească într-un mediu minim, deoarece ambele au avut mutații care le-au împiedicat să asimileze nutrienții din mediul respectiv.

Cu toate acestea, când A și B au fost amestecate timp de câteva ore și ulterior însămânțate pe placa medie minimă, au apărut câteva colonii pe plăcile medii minime, adică au crescut.

Aceste colonii provin din celule individuale care au făcut schimb de material genetic și, după schimb, au putut să exprime informațiile genetice din fenotip și astfel să asimileze nutrienții din mediul minim.

Organizarea informațiilor genetice

Toate informațiile genetice necesare pentru viața unei bacterii se găsesc în „cromozomul bacterian”, o singură moleculă de acid dezoxiribonucleic cu dublu catenar (ADN).

Această moleculă de ADN este dispusă într-o structură circulară, închisă de legături covalente și formează, împreună cu unele proteine, cromozomul bacterian.

Bacteriile, pe lângă cromozomul bacterian, pot poseda fragmente de ADN extracromosomice de dimensiuni mai mici, dar structurate într-un mod circular închis. Aceste molecule de ADN sunt numite colectiv „plasmide” sau „ADN plasmidic”.

Moleculele plasmatice ale ADN-ului sunt utilizate de bacterii pentru a schimba informații genetice foarte particulare între ele.

În general, când una dintre celulele bacteriene dezvoltă rezistență împotriva unui antibiotic, poate transmite această rezistență la celelalte celule bacteriene prin plasmide.

Mărimea moleculei ADN plasmidice din bacterii poate varia de la 3 la 10 kilo baze și în multe specii de bacterii pot fi găsite sute de copii ale unui singur tip de plasmidă.

Compoziția și structura ADN-ului bacteriilor este aceeași cu cea găsită la toate ființele vii și la viruși. Structura sa este formată dintr-un schelet de zahăr, baze azotate și grupări de fosfați.

Harta completă a cromozomului bacterian al Escherichia coli a fost obținută în 1963. A detaliat poziția exactă a aproximativ 100 de gene, dar astăzi se știe că cromozomul E. coli conține mai mult de 1000 de gene și are o dimensiune de 4,2. milioane de perechi de baze.

Mecanisme de exprimare a genelor

Mecanismul de exprimare a genelor în bacterii este similar în unele privințe al procesului de exprimare a genelor care are loc la alte ființe vii și depinde, de asemenea, de procesele de transcriere și traducere.

Informațiile genelor sunt transcrise unei molecule de ARN și, ulterior, la secvența de aminoacizi care constituie proteinele. Acest proces este ceea ce realizează expresia informațiilor conținute în genotip și structura din fenotip.

Transcriere

În transcriere, enzima ARN polimerază creează un produs complementar unui segment ADN pe care îl folosește ca șablon, dar acest produs este acidul ribonucleic (ARN).

Această moleculă poartă informațiile pentru sinteza proteinei codificate de segmentul ADN, este o singură bandă și se numește ARN mesager. ARN polimeraza bacteriilor este diferită în bacterii și în organismele eucariote.

ARN polimeraza identifică un site specific de ADN (promotor) unde se leagă pentru a iniția transcrierea. O singură moleculă de ARN mesager poate conține informația pentru mai mult de o genă.

Spre deosebire de organismele eucariote, genele bacteriilor nu au „introni” în secvența lor, deoarece bacteriile nu au un nucleu care separă cromozomul de celelalte elemente ale citoplasmei.

Traducere

Deoarece toate elementele sunt „libere” în citoplasma celulelor bacteriene, moleculele de ARN mesager nou sintetizate pot intra în contact cu ribozomii și pot iniția imediat sinteza proteinelor.

Acest lucru permite bacteriilor să aibă un avantaj în a răspunde și a se adapta la schimbările extreme din mediu.

La traducere participă ARN ribozomal, ARN de transfer și diferite proteine ​​ribozomale. Ribozomii celulelor procariote variază în structură și compoziție în raport cu ribozomii celulelor eucariote.

Aceste elemente „citesc” sub forma tripletelor de nucleotide (codoni) instrucțiunile încorporate în codul genetic al moleculelor ARN mesager și, în același timp, se asamblează fiecare dintre aminoacizii pentru a forma polipeptida.

„Universalitatea” codului genetic permite oamenilor de știință să folosească traducerea bacteriilor ca un instrument important pentru sinteza peptidelor și proteinelor cu interese tehnologice.

Reglarea expresiei genice

Mecanismul care controlează expresia genelor în bacterii este extrem de precis; le permite să regleze cu exactitate cantitatea și calendarul sintezei produsului genic, astfel încât acestea să apară numai atunci când este necesar.

O regiune a genomului bacterian care grupează mai multe gene este numită "operon". Această regiune își activează sau dezactivează transcrierea în funcție de condițiile în care se află bacteria.

Toate genele care fac parte din același operon sunt transcrise coordonat într-un ARN mesager care conține multe gene (numite ARN „policistronic”). Aceste ARN se traduc pe ribozomi secvențial, unul după altul.

Operonii pot fi reglați pozitiv sau negativ. Genele nu se mai exprimă decât atunci când proteinele inhibitoare numite represori se leagă de o secvență specifică din structura lor.

Secvența specifică a genei este denumită „promotor”, atunci când proteina represor este legată la promotor, ARN polimeraza nu poate iniția transcripția secvenței genetice în cauză.

Pe de altă parte, atunci când operonii sunt reglați, transcrierea acelei regiuni genetice nu va începe până când nu este prezentă o proteină activatoare care se leagă de secvența ADN specifică.

Oamenii de știință folosesc această „inductibilitate” a operonilor pentru a crește sau a scădea expresia genică a anumitor regiuni de interes pentru bacterii. Prin introducerea unor substraturi, expresia enzimelor necesare metabolismului poate fi crescută.

Transfer de gene

Bacteriile, spre deosebire de celulele eucariote, nu își transferă genele prin reproducerea sexuală, ci pot face acest lucru prin trei procese diferite: transformare, transducție și conjugare.

Transfer orizontal de gene în bacterii (Sursa: 2013MMG320B prin Wikimedia Commons)

Transformare

În transformare , unele celule bacteriene din populație devin „competente”. Odată „competenți”, aceștia sunt capabili să primească ADN exogen de la alte bacterii găsite în mediul extracelular.

Odată ce ADN-ul a fost încorporat în interiorul celulei, bacteriile efectuează un proces de combinare a genelor conținute în cromozomul lor cu ADN-ul străin care tocmai a fost încorporat în el. Acest proces este cunoscut sub numele de recombinare genetică.

Transducerea

În transducție, bacteriile încorporează ADN-ul altor bacterii în molecula lor de ADN prin viruși care infectează bacteriile (bacteriofagii). Acest lucru poate fi dat într-un mod specializat sau generalizat.

În transducția specializată, apare atunci când un fag care anterior a infectat o altă bacterie își dobândește genele în timpul ciclului infecțios.

Ulterior, prin infectarea unei noi bacterii și încorporarea genelor sale în cromozomul noii bacterii infectate, încorporează, de asemenea, gene din bacteria pe care o infectase anterior.

În timpul transducției generalizate, particulele de fag defecte care au capsidele goale încorporează o parte din cromozomul bacterian în timpul replicării virale, apoi, după ce infectează o altă bacterie, pot introduce genele prelevate din bacteria anterioară.

Conjugare

În conjugare, bacteriile schimbă materialul genetic într-un mod unidirecțional, prin contact fizic. Una dintre bacterii acționează ca donator, iar cealaltă ca primitoare. În acest proces, bacteriile donatoare dau în general o moleculă de ADN plasmidă bacteriilor primitoare.

Conjugarea în bacterii nu este tipică tuturor speciilor, capacitatea de conjugare este acordată prin gene care sunt transmise printr-o moleculă de ADN plasmidică.

Referințe

1. Braun, W. (1953). Genetica bacteriană. Genetica bacteriană.
2. Brock, TD (1990). Apariția geneticii bacteriene (nr. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbour Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Genetica bacteriană în mediile naturale (pp. 55-80). Londra: Chapman și Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). O introducere în analiza genetică. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Progrese recente în genetica bacteriană. Recenzii bacteriologice, 11 (1), 1.