BAKTERIENGENETIK: ORGANISATION, MECHANISMEN, REGULATION, TRANSFER - BIOLOGIE - 2025

Die Bakteriengenetik ist die Untersuchung der Grundlagen der genetischen Information in den Zellen der Bakterien. Dies umfasst die Organisation genetischer Informationen, wie sie reguliert werden, wie sie ausgedrückt werden und wie sie variieren.

Die ersten Experimente zur Bakteriengenetik wurden im 19. Jahrhundert in einem historischen Kontext durchgeführt, in dem noch nicht bekannt war, ob Bakterien Mechanismen zum Austausch genetischer Informationen hatten, und nicht einmal bekannt war, ob sie ein Chromosom besaßen.

Bakterielle DNA (Quelle: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-DE.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (Diskussion) Übersetzung: Sponk (Diskussion) abgeleitete Arbeit: Radio89 über Wikimedia Commons)

Die einzig wahre Gewissheit war, dass Bakterien stabile Linien mit unterschiedlichen Phänotypen etablieren konnten, zumindest für die Assimilation verschiedener Nährstoffe, und dass gelegentlich neue Formen auftraten, anscheinend aufgrund genetischer Mutationen.

Angesichts der großen Unsicherheit, die zu dieser Zeit über Bakterien bestand, war es unerlässlich, bestimmte Fragen zur "Bakteriengenetik" experimentell zu beantworten, insbesondere um zu verstehen, ob Bakterien die Grundprinzipien der Vererbung erfüllten.

Schließlich lösten Joshua Lederberg und Edward Tatum 1946 diese grundlegenden Fragen mit zwei Stämmen der Escherichia coli-Bakterien, Stamm A und Stamm B, die jeweils unterschiedliche Ernährungsbedürfnisse hatten.

Typ A- und B-Zellen konnten nicht in einem Minimalmedium wachsen, da beide Mutationen aufwiesen, die sie daran hinderten, die Nährstoffe aus diesem Medium zu assimilieren.

Wenn jedoch A und B einige Stunden lang gemischt und anschließend auf die Minimalmediumplatte ausgesät wurden, erschienen einige Kolonien auf den Minimalmediumplatten, d. H. Sie wuchsen.

Diese Kolonien stammten aus einzelnen Zellen, die genetisches Material ausgetauscht hatten und nach dem Austausch die genetische Information im Phänotyp exprimieren und so die Nährstoffe aus dem Minimalmedium aufnehmen konnten.

Organisation genetischer Informationen

Alle genetischen Informationen, die für das Leben eines Bakteriums erforderlich sind, befinden sich im "Bakterienchromosom", einem einzelnen Molekül doppelsträngiger Desoxyribonukleinsäure (DNA).

Dieses DNA-Molekül ist in einer kreisförmigen Struktur angeordnet, die durch kovalente Bindungen geschlossen ist, und bildet zusammen mit einigen Proteinen das Bakterienchromosom.

Bakterien können zusätzlich zum Bakterienchromosom extrachromosomale DNA-Fragmente kleinerer Größe besitzen, die aber auch geschlossen zirkulär strukturiert sind. Diese DNA-Moleküle werden zusammen als "Plasmide" oder "Plasmid-DNA" bezeichnet.

Plasmid-DNA-Moleküle werden von Bakterien verwendet, um ganz bestimmte genetische Informationen zwischen ihnen auszutauschen.

Wenn eine der Bakterienzellen eine Resistenz gegen ein Antibiotikum entwickelt, kann sie diese Resistenz im Allgemeinen durch Plasmide auf die anderen Bakterienzellen übertragen.

Die Größe des Plasmid-DNA-Moleküls in Bakterien kann zwischen 3 und 10 Kilobasen variieren, und in vielen Bakterienarten können Hunderte Kopien eines einzelnen Plasmidtyps gefunden werden.

Die Zusammensetzung und Struktur der DNA von Bakterien ist dieselbe wie bei allen Lebewesen und Viren. Seine Struktur besteht aus einem Zuckerskelett, stickstoffhaltigen Basen und Phosphatgruppen.

Die vollständige Karte des Bakterienchromosoms von Escherichia coli wurde 1963 erhalten. Sie enthielt die genaue Position von ungefähr 100 Genen, aber heute ist bekannt, dass das E. coli-Chromosom mehr als 1000 Gene enthält und 4,2 groß ist. Millionen Basenpaare.

Mechanismen der Genexpression

Der Mechanismus der Genexpression von Bakterien ähnelt in gewisser Hinsicht dem Prozess der Genexpression, der bei anderen Lebewesen auftritt, und hängt auch von den Prozessen der Transkription und Translation ab.

Die Information der Gene wird in ein RNA-Molekül und anschließend in die Sequenz der Aminosäuren, aus denen die Proteine ​​bestehen, transkribiert. Dieser Prozess bewirkt die Expression der im Genotyp enthaltenen Informationen und der Struktur im Phänotyp.

Transkription

Bei der Transkription erzeugt das RNA-Polymeraseenzym ein komplementäres Produkt zu einem DNA-Segment, das es als Matrize verwendet. Dieses Produkt ist jedoch Ribonukleinsäure (RNA).

Dieses Molekül enthält die Informationen für die Synthese des vom DNA-Segment codierten Proteins. Es ist eine einzelne Bande und wird als Messenger-RNA bezeichnet. Die RNA-Polymerase von Bakterien unterscheidet sich in Bakterien und in eukaryotischen Organismen.

Die RNA-Polymerase identifiziert eine spezifische Stelle auf der DNA (Promotor), an der sie bindet, um die Transkription zu initiieren. Ein einzelnes Messenger-RNA-Molekül kann die Informationen für mehr als ein Gen enthalten.

Im Gegensatz zu eukaryotischen Organismen haben die Gene von Bakterien keine "Introns" in ihrer Sequenz, da Bakterien keinen Kern haben, der das Chromosom von den anderen Elementen des Zytoplasmas trennt.

Übersetzung

Da alle Elemente im Zytoplasma der Bakterienzellen "locker" sind, können die neu synthetisierten Messenger-RNA-Moleküle mit den Ribosomen in Kontakt kommen und sofort die Proteinsynthese einleiten.

Dies ermöglicht es Bakterien, auf extreme Veränderungen in der Umwelt zu reagieren und sich diesen anzupassen.

Ribosomale RNA, Transfer-RNA und verschiedene ribosomale Proteine ​​sind an der Translation beteiligt. Die Ribosomen prokaryotischer Zellen variieren in Struktur und Zusammensetzung relativ zu den Ribosomen eukaryotischer Zellen.

Diese Elemente "lesen" in Form von Nukleotidtripletts (Codons) die Anweisungen, die im genetischen Code der Messenger-RNA-Moleküle enthalten sind, und setzen gleichzeitig jede der Aminosäuren zusammen, um das Polypeptid zu bilden.

Die „Universalität“ des genetischen Codes ermöglicht es Wissenschaftlern, die Translation von Bakterien als wichtiges Instrument für die Synthese von Peptiden und Proteinen mit technologischen Interessen zu nutzen.

Regulation der Genexpression

Der Mechanismus, der die Genexpression in Bakterien steuert, ist äußerst genau. es ermöglicht ihnen, die Menge und den Zeitpunkt der Genproduktsynthese genau zu regulieren, so dass sie nur bei Bedarf auftreten.

Eine Region des Bakteriengenoms, die mehrere Gene zusammenfasst, wird als "Operon" bezeichnet. Diese Region aktiviert oder deaktiviert ihre Transkription in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen sich das Bakterium befindet.

Alle Gene, die Teil desselben Operons sind, werden koordiniert in Messenger-RNA transkribiert, die viele Gene enthält (als "polycistronische" RNA bezeichnet). Diese RNAs werden nacheinander nacheinander auf Ribosomen translatiert.

Operonen können positiv oder negativ reguliert werden. Gene hören erst dann auf, sich zu exprimieren, wenn inhibitorische Proteine, sogenannte Repressoren, an eine bestimmte Sequenz in ihrer Struktur binden.

Die spezifische Sequenz des Gens wird als "Promotor" bezeichnet. Wenn das Repressorprotein an den Promotor gebunden ist, kann die RNA-Polymerase die Transkription der fraglichen genetischen Sequenz nicht initiieren.

Wenn andererseits Operons hochreguliert werden, beginnt die Transkription dieser genetischen Region erst, wenn ein Aktivatorprotein vorhanden ist, das an die spezifische DNA-Sequenz bindet.

Wissenschaftler nutzen diese "Induzierbarkeit" von Operons, um die Genexpression bestimmter Regionen von Interesse in Bakterien zu erhöhen oder zu verringern. Durch die Einführung einiger Substrate kann die Expression der für den Stoffwechsel notwendigen Enzyme erhöht werden.

Gentransfer

Bakterien übertragen im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen ihre Gene nicht durch sexuelle Reproduktion, sondern können dies durch drei verschiedene Prozesse tun: Transformation, Transduktion und Konjugation.

Horizontaler Gentransfer in Bakterien (Quelle: 2013MMG320B über Wikimedia Commons)

Transformation

Bei der Transformation werden einige Bakterienzellen in der Population "kompetent". Sobald sie "kompetent" sind, können sie exogene DNA von anderen Bakterien in der extrazellulären Umgebung erhalten.

Sobald die DNA in das Zellinnere eingebaut wurde, führen die Bakterien einen Prozess durch, bei dem die in ihrem Chromosom enthaltenen Gene mit der gerade darin eingebauten Fremd-DNA kombiniert werden. Dieser Prozess ist als genetische Rekombination bekannt.

Transduktion

Bei der Transduktion bauen Bakterien DNA von anderen Bakterien durch Viren, die Bakterien (Bakteriophagen) infizieren, in ihr DNA-Molekül ein. Dies kann auf spezielle oder verallgemeinerte Weise erfolgen.

Bei der spezialisierten Transduktion tritt es auf, wenn ein Phage, der zuvor ein anderes Bakterium infiziert hat, seine Gene während des Infektionszyklus erwirbt.

Später, indem ein neues Bakterium infiziert und seine Gene in das Chromosom des neu infizierten Bakteriums eingebaut werden, werden auch Gene des zuvor infizierten Bakteriums eingebaut.

Während der generalisierten Transduktion nehmen defekte Phagenpartikel, deren leere Kapside vorhanden sind, während der Virusreplikation einen Teil des Bakterienchromosoms auf. Sobald sie ein anderes Bakterium infizieren, können sie die Gene des vorherigen Bakteriums einführen.

Konjugation

Bei der Konjugation tauschen Bakterien genetisches Material durch physischen Kontakt unidirektional aus. Eines der Bakterien fungiert als Spender und das andere als Empfänger. Bei diesem Verfahren geben die Spenderbakterien den Empfängerbakterien im Allgemeinen ein Plasmid-DNA-Molekül.

Die Konjugation in Bakterien ist nicht für alle Arten typisch. Die Konjugationskapazität wird durch Gene gewährt, die über ein Plasmid-DNA-Molekül übertragen werden.

Verweise

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