bakteriegenetikk

Bakteriegenetikk omhandler regulering og overføring av arvelige egenskaper hos bakterier.

Faktaboks

uttale:
baktˈeriegenetikk

Arvematerialet hos bakterier er som hos alle andre organismer dobbelttrådig DNA, som inneholder informasjon om proteiner som cellen produserer. Et gen er et stykke av et DNA-molekyl som har informasjon om (koder for) et bestemt protein eller et bestemt RNA-molekyl. Gener fungerer som oppskrifter for egenskaper cellen har og genomet er samlingen av alle gener i en celle.

Bakteriers genetiske egenskaper

Bakterier er prokaryote celler og har ikke cellekjerne, og genomet er vanligvis et lukket, sirkulært kromosom som ligger fritt i cellevæsken. Kromosomet er sterkt oppkveilet. Hos bakterien Eschericia coli for eksempel er lengden på et helt utstrakt DNA molekylet 1400 µm mens lengden på cellen er 3-4 µm. Genomene hos bakterier er relativt små og inneholder mellom 500 og 10 000 gener. Hos mennesket er antall gener 20 000 til 25 000.

De fleste prokaryote organismer (det er unntak) har bare ett kromosom, men mange har i tillegg små ringformete DNA molekyler, kalt plasmider. Plasmidene formerer seg selv og inneholder gener som ikke er nødvendige for vekst og formering av bakterien, men som kan være en fordel å ha under visse forhold, for eksempel gener for antibiotikaresistens eller toksiner.

Fra DNA til proteiner

Informasjonen i DNA blir overført til det ferdige proteinet i to trinn. Først blir den overført fra DNA til mRNA (messenger RNA) ved transkripsjon, og deretter dirigerer mRNA-molekylet sammensetningen av de korrekte aminosyrene i det tilsvarende proteinet. Den siste fasen kalles translasjon og finner sted på ribosomene i cellen.

En viktig forskjell mellom prokaryote celler og eukaryote celler er at eukaryote har introner i genene. Dette er DNA-sekvenser som ikke koder for protein. Hos eukaryote celler blir det nydannete RNA-molekylet prossesert (intronene blir klippet ut) å få brukbart mRNA. Hos prokaryote derimot er rekkefølgen av baser i mRNA helt analog med rekkefølgen av baser i det tilsvarende genet.

Genregulering

Proteinene i en celle er enten deler av strukturene i cellen, eller enzymer som er aktive i stoffskiftet. Det ville være dårlig økonomi å produsere proteiner de ikke har bruk for hele tiden, og derfor har cellene mekanismer som regulere genene slik at de kan bli slått av eller på etter behov. I bakterier finnes flere mekanismer for dette, men særlig induksjon og represjon viser noen viktige prinsipper ved genregulering hos bakterier. Induksjon er eksempel på hvordan gener blir «skrudd på» bare ved behov, mens represjon er det motsatte, da blir gener «slått av».

Induksjon av enzymer (positiv kontroll)

Noen enzymer brukes hele tiden og er alltid tilstede i cellene, de er konstitutive. Enzymene som er nødvendige for å bryte ned glukose er for eksempel konstitutive i mange bakterier. At de er tilstede hele tiden, skyldes at glukose er vanlig i naturen og dermed lett tilgjengelig for bakterievekst.

Laktose, derimot, er et disakkarid som ikke er så vanlig, og de nødvendige enzymene for å utnytte dette sukkeret, blir bare produsert når laktose er tilgengelig. Et av disse enzymene er ß-galaktosidase som katalyserer omdannelsen av laktose til glukose og galaktose:

Laktose --> ß-galaktosidase --> glukose + galaktose

På kromosomet til E. coli ligger genet for ß-galaktosidase på en operon, lac-operon. Et operon er en gruppe gener som ligger sammen og er kontrollert av samme gen og transkriberes sammen. Genet for ß-galaktosidase sitter sammen med to andre, såkalte strukturgener som er nødvendige for vekst på laktose. Det ene er genet for en permease som transporterer laktose gjennom membranen og inn i cellen. Det andre koder for acetylase som er nødvendig for den videre omsetningen av galaktose. At de tre strukturgenene ligger samlet på en operon sikrer at de tre nødvendige proteinene er tilstede samtidig.

Like foran strukturgenene på lac-operon ligger genet for en regulator samt et område av DNA som kalles promoter og et som kalles operator. Promoter er stedet hvor RNA-polymerase starter transkripsjonen av genene. Regulator-genet koder for en repressor, et protein som binder seg til operator og hindrer RNA-polymerasen i å transkribere genene.

Under forhold hvor laktose ikke er tilstede eller ikke trengs, er repressoren bundet til operator og lac-operon transkriberes ikke.

Hvis cellen ikke har tilgang på glukose men på laktose, induseres lac-operon. Da binder laktosen seg til repressoren og fjerner den fra operator slik at transkripsjonen kan begynne.

Lac-operonet er i tillegg kontrollert av et annet protein, catabolitt aktivator protein (CAP). Transkripsjonen finner bare sted når CAP er bundet til promoteren, og CAP binder seg bare hvis nivået av cAMP (cyklisk AMP) i cellen er høyt. Det er høyt bare hvis det er lite glukose tilstede i cellen.

Dette betyr at lac-operon bare er aktiv når laktose er tilstede og glukose er nesten fraværende. Fordi transkripsjon av gener settes i gang ved induksjon er dette positiv kontroll.

Bakgrunn

At bakterier regulerer gener ble oppdaget av de franske forskerne Jacob og Monod da de observerte såkalt dobbeltvekst (diauxie) hos E. coli når den fikk vokse i nærvær av både glukose og laktose. Først vokste bakterien på glukosen og først når den var brukt opp, begynte de å bruke laktose. Forståelsen av mekanismen bak dette var av stor betydning for molekylærbiologiens framvekst.

Represjon av enzymer (negativ kontroll)

Cellene produserer stoffer de trenger til vekst og vedlikehold bare når de trenger dem. Mange produksjonsveier er kontrollert ved represjon, negativ kontroll, av spesielle gener hvor sluttproduktene i en reaksjon er involvert.

Syntesen av aminosyren tryptofan, Trp, er et eksempel. Her er flere enzymer involvert og de nødvendige genene ligger på en operon, trp-operon. Hvis tryptofan er tilstede i cellen, er det ikke behov for å lage denne aminosyren og trp-operon blir inaktiv. Dette skjer ved at sluttproduktet av reaksjonen, tryptofan, binder seg til en repressor slik at den i neste omgang binder seg til operator på trp-operon og hindrer transkripsjon. Tryptofan virker her som en co-repressor. Represjon er eksempel på negativ kontroll. Hvis nivået av tryptofan i cellen blir lavt, opphører bindingen og genene transkriberes.

Overføring av gener og rekombinasjon

Forandring i arvematerialet, DNA, hos organismene skjer gjennom mutasjoner. På den måten kan organismene få nye egenskaper som kan gjøre dem mer levedyktige. Disse egenskapene kan i sin tur kan være grunnlaget for seleksjon og dermed evolusjon.

Organismene kan også få endret arvematerialet gjennom rekombinasjon, hvor arvematerialet fra to celler kombineres og det oppstår en variant som er forskjellig fra de opprinnelige cellene. Hos eukaryote organismer med kjønnet formering skjer dette fra en generasjon til neste generasjon. Bakterier har også mekanismer for genetisk rekombinasjon, men her skjer utvekslingen av DNA mellom celler av samme generasjon og derfor blir det kalt horisontal genoverføring.

Hos bakterier er det tre ulike mekanismer som kan føre til genetisk rekombinasjon: transformering, transduksjon og konjugering.

Transformering

Transformering er opptak av fritt DNA fra omgivelsene. Det er den enkleste mekanismen for rekombinasjon hos bakterier, og ble først beskrevet i bakterien Streptococcus pneumonia av Fred Griffiths i 1928 i forsøk med mus.

Transduksjon

Ved transduksjon blir DNA overført fra en bakterie til en annen ved hjelp av virus (bakteriofag). Det finnes to typer transduksjon: generell transduksjon og spesiell transduksjon og forskjellen mellom dem skyldes at bakteriofager har ulik livssyklus.

Konjugasjon

Konjugasjon hos bakterier er avhengig av kontakt mellom en donorbakterie og en mottakerbakterie og gjøres ved hjelp av spesielle typer plasmider.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg