BACTERIËLE GENETICA: ORGANISATIE, MECHANISMEN, REGULATIE, OVERDRACHT - BIOLOGIE - 2026

De bacteriële genetica is de studie van de basis van genetische informatie in de cellen van de bacteriën. Dit omvat de organisatie van genetische informatie, hoe deze wordt gereguleerd, hoe deze wordt uitgedrukt en hoe deze varieert.

De eerste experimenten met bacteriële genetica werden uitgevoerd in de 19e eeuw, in een historische context waarin nog niet bekend was of bacteriën mechanismen hadden om genetische informatie uit te wisselen, het was niet eens bekend of ze een chromosoom bezaten.

Bacterieel DNA (Bron: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) vertaling: Sponk (talk) afgeleid werk: Radio89 via Wikimedia Commons)

De enige echte zekerheid was dat bacteriën stabiele lijnen konden vormen met verschillende fenotypes, althans voor de assimilatie van verschillende voedingsstoffen, en dat er af en toe nieuwe vormen opdoken, kennelijk als gevolg van genetische mutaties.

Met de grote onzekerheid die destijds over bacteriën bestond, was het noodzakelijk om bepaalde vragen over "bacteriële genetica" experimenteel te beantwoorden, vooral om te begrijpen of bacteriën voldeden aan de basisprincipes van erfelijkheid.

Uiteindelijk losten Joshua Lederberg en Edward Tatum in 1946 deze fundamentele vragen op met behulp van twee stammen van de Escherichia coli-bacterie, stam A en stam B, elk met verschillende voedingsbehoeften.

Type A- en B-cellen konden niet groeien in een minimaal medium, omdat beide mutaties hadden waardoor ze de voedingsstoffen uit dat medium niet konden opnemen.

Toen A en B echter een paar uur werden gemengd en vervolgens op de minimale mediumplaat werden gezaaid, verschenen er een paar kolonies op de minimale mediumplaten, d.w.z. ze groeiden.

Deze kolonies waren afkomstig van individuele cellen die genetisch materiaal hadden uitgewisseld en na de uitwisseling de genetische informatie in het fenotype konden uitdrukken en zo de voedingsstoffen uit het minimale medium konden assimileren.

Organisatie van genetische informatie

Alle genetische informatie die nodig is voor het leven van een bacterie, wordt gevonden in het "bacteriële chromosoom", een enkelvoudig dubbelstrengs deoxyribonucleïnezuur (DNA) -molecuul.

Dit DNA-molecuul is gerangschikt in een cirkelvormige structuur, gesloten door covalente bindingen, en vormt samen met sommige eiwitten het bacteriële chromosoom.

Bacteriën kunnen, naast het bacteriële chromosoom, extrachromosomale DNA-fragmenten van kleinere omvang bezitten, maar ook op een gesloten cirkelvormige manier gestructureerd. Deze DNA-moleculen worden gezamenlijk "plasmiden" of "plasmide-DNA" genoemd.

Plasmide-DNA-moleculen worden door bacteriën gebruikt om onderling zeer specifieke genetische informatie uit te wisselen.

Over het algemeen kan een van de bacteriecellen die resistentie tegen een antibioticum ontwikkelt, die resistentie via plasmiden overbrengen op de andere bacteriecellen.

De grootte van het plasmide-DNA-molecuul in bacteriën kan variëren van 3 tot 10 kilo basen en in veel soorten bacteriën kunnen honderden exemplaren van een enkel type plasmide worden gevonden.

De samenstelling en structuur van het DNA van bacteriën is dezelfde als die in alle levende wezens en in virussen. De structuur bestaat uit een suikerskelet, stikstofhoudende basen en fosfaatgroepen.

De volledige kaart van het bacteriële chromosoom van Escherichia coli werd verkregen in 1963. Het detailleerde de exacte positie van ongeveer 100 genen, maar vandaag is bekend dat het E. coli-chromosoom meer dan 1000 genen bevat en 4,2 groot is. miljoen basenparen.

Mechanismen van genexpressie

Het mechanisme van genexpressie in bacteriën is in sommige opzichten vergelijkbaar met het proces van genexpressie dat plaatsvindt bij andere levende wezens en hangt ook af van de transcriptie- en translatieprocessen.

De informatie van de genen wordt getranscribeerd naar een RNA-molecuul en vervolgens naar de opeenvolging van aminozuren waaruit de eiwitten bestaan. Dit proces voert de expressie uit van de informatie in het genotype en de structuur in het fenotype.

Transcriptie

Bij transcriptie creëert het RNA-polymerase-enzym een ​​complementair product voor een DNA-segment dat het als sjabloon gebruikt, maar dit product is ribonucleïnezuur (RNA).

Dit molecuul bevat de informatie voor de synthese van het eiwit dat wordt gecodeerd door het DNA-segment, het is een enkele band en wordt boodschapper-RNA genoemd. De RNA-polymerase van bacteriën is verschillend in bacteriën en in eukaryote organismen.

RNA-polymerase identificeert een specifieke plaats op DNA (promotor) waar het bindt om transcriptie te initiëren. Een enkel boodschapper-RNA-molecuul kan de informatie voor meer dan één gen bevatten.

In tegenstelling tot eukaryote organismen hebben de genen van bacteriën geen "introns" in hun volgorde, aangezien bacteriën geen kern hebben die het chromosoom scheidt van de andere elementen van het cytoplasma.

Vertaling

Aangezien alle elementen "los" zitten in het cytoplasma van de bacteriële cel, kunnen de nieuw gesynthetiseerde boodschapper-RNA-moleculen in contact komen met de ribosomen en onmiddellijk de eiwitsynthese starten.

Hierdoor hebben bacteriën een voordeel bij het reageren en aanpassen aan extreme veranderingen in de omgeving.

Ribosomaal RNA, transfer-RNA en verschillende ribosomale eiwitten nemen deel aan translatie. De ribosomen van prokaryote cellen variëren in structuur en samenstelling ten opzichte van de ribosomen van eukaryote cellen.

Deze elementen "lezen" in de vorm van nucleotide-tripletten (codons) de instructies die vervat zijn in de genetische code van de boodschapper-RNA-moleculen en tegelijkertijd assembleren ze elk van de aminozuren om het polypeptide te vormen.

De "universaliteit" van de genetische code stelt wetenschappers in staat de vertaling van bacteriën te gebruiken als een belangrijk hulpmiddel voor de synthese van peptiden en eiwitten met technologische interesses.

Regulatie van genexpressie

Het mechanisme dat de genexpressie in bacteriën regelt, is uiterst nauwkeurig; het stelt hen in staat om de hoeveelheid en de timing van de genproductsynthese nauwkeurig te regelen, zodat ze alleen plaatsvinden wanneer dat nodig is.

Een gebied van het bacteriële genoom dat verschillende genen groepeert, wordt een "operon" genoemd. Dit gebied activeert of deactiveert de transcriptie ervan, afhankelijk van de omstandigheden waarin de bacterie zich bevindt.

Alle genen die deel uitmaken van hetzelfde operon worden gecoördineerd getranscribeerd in boodschapper-RNA dat veel genen bevat (genaamd "polycistronisch" RNA). Deze RNA's worden achtereenvolgens op ribosomen vertaald, de een na de ander.

Operons kunnen positief of negatief worden gereguleerd. Genen stoppen pas met uiten als remmende eiwitten, repressoren genaamd, binden aan een specifieke sequentie in hun structuur.

De specifieke sequentie van het gen wordt "promotor" genoemd, wanneer het repressoreiwit aan de promotor is gebonden, kan RNA-polymerase de transcriptie van de genetische sequentie in kwestie niet initiëren.

Aan de andere kant, wanneer operons up-gereguleerd zijn, zal de transcriptie van dat genetische gebied pas beginnen als er een activator-eiwit aanwezig is dat zich bindt aan de specifieke DNA-sequentie.

Wetenschappers gebruiken deze "induceerbaarheid" van operons om de genexpressie van bepaalde interessegebieden in bacteriën te verhogen of te verlagen. Door enkele substraten te introduceren, kan de expressie van de enzymen die nodig zijn voor het metabolisme worden verhoogd.

Genoverdracht

Bacteriën dragen, in tegenstelling tot eukaryote cellen, hun genen niet over via seksuele reproductie; in plaats daarvan kunnen ze dit doen door middel van drie verschillende processen: transformatie, transductie en conjugatie.

Horizontale genoverdracht in bacteriën (Bron: 2013MMG320B via Wikimedia Commons)

Transformatie

Bij transformatie worden sommige bacteriële cellen in de populatie "competent". Zodra ze "competent" zijn, zijn ze in staat om exogeen DNA te ontvangen van andere bacteriën die in de extracellulaire omgeving worden aangetroffen.

Als het DNA eenmaal in de cel is opgenomen, voeren de bacteriën een proces uit waarbij de genen op hun chromosoom worden gecombineerd met het vreemde DNA dat er zojuist in is opgenomen. Dit proces staat bekend als genetische recombinatie.

Transductie

Bij transductie nemen bacteriën DNA van andere bacteriën op in hun DNA-molecuul via virussen die bacteriën infecteren (bacteriofagen). Dit kan op een gespecialiseerde of gegeneraliseerde manier worden gegeven.

Bij gespecialiseerde transductie treedt het op wanneer een faag die eerder een andere bacterie heeft geïnfecteerd, zijn genen verwerft tijdens de infectiecyclus.

Later, door een nieuwe bacterie te infecteren en zijn genen op te nemen in het chromosoom van de nieuwe geïnfecteerde bacterie, neemt hij ook genen op van de bacterie die hij eerder had geïnfecteerd.

Tijdens gegeneraliseerde transductie nemen defecte faagdeeltjes met hun lege capsiden een deel van het bacteriële chromosoom op tijdens virale replicatie, en zodra ze een andere bacterie infecteren, kunnen ze de genen introduceren die uit de vorige bacterie zijn gehaald.

Conjugatie

Bij vervoeging wisselen bacteriën genetisch materiaal op een unidirectionele manier uit, door fysiek contact. Een van de bacteriën fungeert als donor en de andere als ontvanger. In dit proces geven de donorbacteriën meestal een plasmide-DNA-molecuul aan de ontvangende bacteriën.

Conjugatie in bacteriën is niet typerend voor alle soorten; de conjugatiecapaciteit wordt verleend via genen die worden overgedragen via een plasmide-DNA-molecuul.

Referenties

1. Braun, W. (1953). Bacteriële genetica. Bacteriële genetica.
2. Brock, TD (1990). De opkomst van bacteriële genetica (nr. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Bacteriële genetica in natuurlijke omgevingen (pp. 55-80). Londen: Chapman en Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT en Miller, JH (2005). Een inleiding tot genetische analyse. Macmillan.
5. Luria, SE (1947). Recente vorderingen in bacteriële genetica. Bacteriologische beoordelingen, 11 (1), 1.