גנטיקה חיידקית: ארגון, מנגנונים, ויסות, העברה - ביולוגיה - 2025

גנטיקת החיידקים היא חקר את בסיס מידע גנטי בתוך התאים של החיידקים. זה מקיף את ארגון המידע הגנטי, כיצד הוא מוסדר, כיצד הוא בא לידי ביטוי וכיצד הוא משתנה.

הניסויים הראשונים בנושא גנטיקה של חיידקים בוצעו במאה ה -19, בהקשר היסטורי בו טרם ידוע אם לחיידקים היו מנגנונים להחלפת מידע גנטי, לא היה ידוע אפילו אם ברשותם כרומוזום.

DNA חיידקי (מקור: Average_prokaryote_cell-_en.svg: מריאנה Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: תרגום ספונק (תרגום): ספונק (שיחה) עבודה נגזרת: Radio89 באמצעות Wikimedia Commons)

הוודאות האמיתית היחידה הייתה כי חיידקים יכלו ליצור קווים יציבים עם פנוטיפים שונים, לפחות לצורך הטמעתם של תרכובות תזונתיות שונות, וכי מדי פעם הופיעו צורות חדשות, ככל הנראה בגלל מוטציות גנטיות.

עם אי הוודאות הרבה שהייתה בקשר לחיידקים באותה תקופה, היה חובה לענות על שאלות מסוימות בנושא "גנטיקה של חיידקים" באופן ניסיוני, במיוחד כדי להבין אם חיידקים עומדים בעקרונות היסוד התורשתיים.

לבסוף, בשנת 1946, פתרו ג'ושוע לדרברג ואדוארד טאטום את השאלות הבסיסיות הללו באמצעות שני זנים של חיידקי קולי Escherichia, זן A וזן B, כל אחד עם דרישות תזונתיות שונות.

תאי סוג A ו- B לא הצליחו לצמוח במדיום מינימלי, מכיוון שלשניהם היו מוטציות שמנעו מהם להטמיע את החומרים המזינים מהמדיום האמור.

עם זאת, כאשר A ו- B היו מעורבים במשך מספר שעות ונזרעו לאחר מכן על הצלחת הבינונית המינימלית, הופיעו כמה מושבות על הלוחות הבינוניים המינימליים, כלומר הם גדלו.

מושבות אלה מקורן בתאים בודדים שהחליפו חומר גנטי, ואחרי ההחלפה הצליחו לבטא את המידע הגנטי בפנוטיפ וכך להטמיע את חומרי התזונה מהמדיום המינימלי.

ארגון מידע גנטי

כל המידע הגנטי הנחוץ לחייו של חיידק נמצא בתוך "הכרומוזום החיידקי", מולקולה יחידה של חומצה deoxyribonucleic כפול-גדילתי (DNA).

מולקולת DNA זו מסודרת במבנה מעגלי, נסגר על ידי קשרים קוולנטים, ויוצרת, יחד עם כמה חלבונים, את הכרומוזום החיידקי.

חיידקים, בנוסף לכרומוזום החיידקי, יכולים להכיל שברי DNA חוץ-כרומוזומליים בגודל קטן יותר, אך גם הם מובנים בצורה מעגלית סגורה. מולקולות DNA אלה נקראות באופן קולקטיבי "פלסמידות" או "פלסמיד DNA".

מולקולות DNA של פלסמיד משמשות חיידקים להחלפת מידע גנטי מאוד מסוים ביניהן.

באופן כללי, כאשר אחד מתאי החיידקים מפתח עמידות כנגד אנטיביוטיקה, הוא יכול להעביר את העמידות הזו לתאים החיידקיים האחרים דרך פלסמידות.

גודל מולקולת ה- DNA של פלסמיד בחיידקים יכול להשתנות בין 3 ל -10 ק"ג בסיסים ובמינים רבים של חיידקים ניתן למצוא מאות עותקים של סוג יחיד של פלסמיד.

הרכב המבנה של ה- DNA של חיידקים זהה לזה שנמצא בכל היצורים החיים ובנגיפים. מבנהו מורכב משלד סוכר, בסיסים חנקניים וקבוצות פוספט.

המפה השלמה של הכרומוזום החיידקי Escherichia coli התקבלה בשנת 1963. היא פירטה את המיקום המדויק של כמאה גנים, אולם כיום ידוע כי הכרומוזום E. coli מכיל יותר מ- 1000 גנים והוא בגודל 4.2. מיליון זוגות בסיס.

מנגנונים של ביטוי גנים

מנגנון ביטוי הגנים בחיידקים דומה במובנים מסוימים לתהליך ביטוי הגנים המתרחש ביצורים חיים אחרים ותלוי גם בתהליכי התמלול והתרגום.

המידע של הגנים מועבר למולקולת RNA ובהמשך לרצף חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים. תהליך זה הוא שמבצע את הביטוי של המידע הכלול בגנוטיפ והמבנה בפנוטיפ.

תַעֲתוּק

בתעתיק, האנזים RNA פולימראז יוצר מוצר משלים לקטע DNA בו הוא משתמש כתבנית, אך מוצר זה הוא חומצה ריבונוקלאית (RNA).

מולקולה זו נושאת את המידע לסינתזה של החלבון המקודד על ידי קטע ה- DNA, זוהי רצועה יחידה והיא מכונה RNA messenger. פולימראז ה- RNA של חיידקים שונה בחיידקים ובאורגניזמים אוקריוטיים.

פולימראז RNA מזהה אתר ספציפי ב- DNA (מקדם) בו הוא נקשר ליזום שעתוק. מולקולת RNA של שליח בודד יכולה להכיל את המידע ליותר מגן אחד.

שלא כמו אורגניזמים אוקיארוטים, לגנים של חיידקים אין "אינטרונים" ברצף שלהם, שכן לחיידקים אין גרעין המפריד בין הכרומוזום ליסודות האחרים בציטופלזמה.

תִרגוּם

מכיוון שכל האלמנטים "רופפים" בציטופלזמה של תאי החיידק, מולקולות ה- RNA של המסנגרים החדשים יכולים לבוא במגע עם הריבוזומים וליזום סינתזת חלבון באופן מיידי.

זה מאפשר לחיידקים יתרון בתגובה ובהסתגלות לשינויים קיצוניים בסביבה.

בתרגום משתתפים תרגילי ריבוזומלי RNA, העברת RNA וחלבונים ריבוזומלים שונים. הריבוזומים של תאים פרוקריוטיים משתנים במבנה ובהרכב שלהם ביחס לריבוזומים של תאים אוקריוטיים.

אלמנטים אלה "קוראים" בצורה של שלשות נוקליאוטידים (קודונים) את ההוראות המגולמות בקוד הגנטי של מולקולות ה- RNA של המסנג'ר ובמקביל הן מרכיבות כל אחת מחומצות האמינו ליצירת הפוליפפטיד.

"האוניברסליות" של הקוד הגנטי מאפשרת למדענים להשתמש בתרגום של חיידקים ככלי חשוב לסינתזה של פפטידים וחלבונים בעלי אינטרסים טכנולוגיים.

ויסות ביטוי גנים

המנגנון השולט בביטוי גנים בחיידקים הוא מדויק ביותר; זה מאפשר להם לווסת במדויק את הכמות והתזמון של סינתזת מוצרי הגנים, כך שהם מתרחשים רק במידת הצורך.

אזור בגנום החיידקי המקבץ יחדיו כמה גנים נקרא "אופרון". אזור זה מפעיל או מבטל את התעתיק שלו בהתאם לתנאים בהם נמצא החיידק.

כל הגנים המהווים חלק מאותה אופרון מועברים באופן תיאומי ל- RNA שליח המכיל גנים רבים (המכונים RNA "פוליציסטרוני"). RNAs אלה מתורגמים על ריבוזומים ברצף, בזה אחר זה.

אופרטורים יכולים להיות מוסדרים באופן חיובי או שלילי. גנים מפסיקים להתבטא רק כאשר חלבונים מעכבים הנקראים מדכאים נקשרים לרצף ספציפי במבנה שלהם.

הרצף הספציפי של הגן נקרא "מקדם", כאשר חלבון המדכא נקשר למקדם, פולימראז RNA אינו יכול ליזום את שעתוק הרצף הגנטי המדובר.

לעומת זאת, כאשר אופרטונים מווסתים למעלה, תעתיק של האזור הגנטי הזה לא יחל עד שיהיה חלבון מפעיל הנקשר לרצף ה- DNA הספציפי.

מדענים משתמשים ב"הזרקה "זו של אופרונים כדי להגדיל או להקטין את ביטוי הגנים של אזורים מסוימים המעניינים חיידקים. על ידי החדרת מצעים מסוימים, ניתן להגביר את הביטוי של האנזימים הנחוצים למטבוליזם.

העברת גנים

חיידקים, שלא כמו תאים אוקריוטים, אינם מעבירים את הגנים שלהם באמצעות רבייה מינית, אלא הם יכולים לעשות זאת על ידי שלושה תהליכים שונים: טרנספורמציה, הולכה והצמדה.

העברת גנים אופקית בחיידקים (מקור: 2013MMG320B דרך ויקימדיה Commons)

טרנספורמציה

בטרנספורמציה , כמה תאים חיידקיים באוכלוסייה הופכים "מוכשרים". ברגע שהם "מוכשרים" הם מסוגלים לקבל DNA אקסוגני מחיידקים אחרים הנמצאים בסביבה החוץ תאית.

לאחר שילוב ה- DNA בפנים התא, החיידקים מבצעים תהליך של שילוב הגנים הכלולים בכרומוזום שלהם עם ה- DNA הזר ששולב זה עתה. תהליך זה ידוע בשם רקומבינציה גנטית.

הולכה

בהולכה, חיידקים משלבים במולקולת ה- DNA שלהם DNA של חיידקים אחרים באמצעות נגיפים המדביקים חיידקים (חיידקים). ניתן לתת זאת בדרך מיוחדת או כללית.

בהולכה מיוחדת הוא מתרחש כאשר פאג שהדביק בעבר חיידק אחר רוכש את הגנים שלו במהלך המחזור הזיהומי.

מאוחר יותר, על ידי הדבקת חיידק חדש ושילוב הגנים שלו בכרומוזום של החיידק הנגוע החדש, הוא משלב גם גנים מהחיידק אותו הדביק בעבר.

במהלך הולכה כללית, חלקיקי פאגים פגומים שיש בהם הקפסידים הריקים שלהם משלבים חלק מכרומוזום החיידק במהלך שכפול ויראלי, ואז, ברגע שהם מדביקים חיידק אחר, הם יכולים להכניס את הגנים שנלקחו מהחיידק הקודם.

נְטִיָה

בשילוב, חיידקים מחליפים חומר גנטי באופן חד כיווני, באמצעות מגע גופני. אחד החיידקים פועל כתורם והשני כמקבל. בתהליך זה, בדרך כלל החיידקים התורמים נותנים מולקולת DNA פלסמיד לחיידק המקבל.

התייחדות בחיידקים אינה אופיינית לכל המינים, יכולת ההצמדה ניתנת באמצעות גנים המועברים דרך מולקולת DNA פלסמיד.

הפניות

1. בראון, וו. (1953). גנטיקה חיידקית. גנטיקה חיידקית.
2. ברוק, TD (1990). הופעתה של גנטיקה של חיידקים (מס '579: 575 BRO). קולד ספרינג הארבור, ניו יורק: הוצאת המעבדה של קולד ספרינג הארבור.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Edds.). (1990). גנטיקה חיידקית בסביבות טבעיות (עמ '55-80). לונדון: צ'פמן והול.
4. גריפית'ס, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). מבוא לניתוח גנטי. מקמילן.
5. לוריא, SE (1947). ההתקדמות האחרונה בגנטיקה של חיידקים. ביקורות בקטריולוגיות, 11 (1), 1.