الجينات البكتيرية: التنظيم ، الآليات ، التنظيم ، النقل - مادة الاحياء - 2025

و علم الوراثة البكتيرية هي دراسة قواعد المعلومات الجينية داخل خلايا البكتيريا. يغطي هذا تنظيم المعلومات الجينية ، وكيفية تنظيمها ، وكيفية التعبير عنها ، وكيفية اختلافها.

أجريت التجارب الأولى على الجينات البكتيرية في القرن التاسع عشر ، في سياق تاريخي لم يكن معروفًا فيه بعد ما إذا كانت البكتيريا لديها آليات لتبادل المعلومات الجينية ، ولم يكن معروفًا حتى ما إذا كانت تمتلك كروموسومًا.

الحمض النووي البكتيري (المصدر: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal، LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) translation: Sponk (talk) اشتقاق عمل: Radio89 عبر ويكيميديا ​​كومنز)

كان اليقين الحقيقي الوحيد هو أن البكتيريا يمكن أن تنشئ خطوطًا مستقرة مع أنماط ظاهرية مختلفة ، على الأقل من أجل استيعاب المركبات الغذائية المختلفة ، وأن أشكالًا جديدة ظهرت في بعض الأحيان ، على ما يبدو بسبب الطفرات الجينية.

مع عدم اليقين الكبير الذي كان موجودًا بشأن البكتيريا في ذلك الوقت ، كان من الضروري الإجابة على أسئلة معينة حول "الجينات البكتيرية" تجريبياً ، وخاصة لفهم ما إذا كانت البكتيريا تلبي المبادئ الأساسية للوراثة.

أخيرًا ، في عام 1946 ، قام Joshua Lederberg و Edward Tatum بحل هذه الأسئلة الأساسية باستخدام سلالتين من بكتيريا Escherichia coli ، السلالة A والسلالة B ، ولكل منهما متطلبات غذائية مختلفة.

لم تكن الخلايا من النوع A و B قادرة على النمو في وسط ضئيل ، لأن كلاهما لديه طفرات منعتهما من استيعاب العناصر الغذائية من الوسط المذكور.

ومع ذلك ، عندما تم خلط A و B لبضع ساعات ثم زرعها لاحقًا على الصفيحة المتوسطة الدنيا ، ظهرت بضع مستعمرات على الصفائح المتوسطة الدنيا ، أي أنها نمت.

نشأت هذه المستعمرات من الخلايا الفردية التي تبادلت المادة الوراثية ، وبعد التبادل ، تمكنت من التعبير عن المعلومات الوراثية في النمط الظاهري وبالتالي استيعاب العناصر الغذائية من الوسط الأدنى.

تنظيم المعلومات الجينية

تم العثور على جميع المعلومات الجينية الضرورية لحياة البكتيريا داخل "الكروموسوم البكتيري" ، وهو جزيء واحد من حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) مزدوج الشريطة.

يتم ترتيب جزيء الحمض النووي هذا في هيكل دائري ، مغلق بواسطة روابط تساهمية ، ويشكل مع بعض البروتينات الكروموسوم البكتيري.

يمكن أن تحتوي البكتيريا ، بالإضافة إلى الكروموسوم البكتيري ، على أجزاء من الحمض النووي خارج الصبغيات ذات حجم أصغر ، ولكنها أيضًا منظمة بطريقة دائرية مغلقة. تسمى جزيئات DNA هذه مجتمعة "البلازميدات" أو "DNA البلازميد".

تستخدم البكتيريا جزيئات DNA البلازميد لتبادل المعلومات الجينية الخاصة جدًا فيما بينها.

بشكل عام ، عندما تقوم إحدى الخلايا البكتيرية بتطوير مقاومة ضد مضاد حيوي ، يمكنها نقل هذه المقاومة إلى الخلايا البكتيرية الأخرى من خلال البلازميدات.

يمكن أن يختلف حجم جزيء DNA البلازميد في البكتيريا من 3 إلى 10 كيلو قواعد وفي العديد من أنواع البكتيريا يمكن العثور على مئات النسخ من نوع واحد من البلازميد.

تكوين وهيكل الحمض النووي للبكتيريا هو نفسه الموجود في جميع الكائنات الحية والفيروسات. يتكون هيكلها من هيكل عظمي من السكر وقواعد نيتروجينية ومجموعات فوسفاتية.

تم الحصول على الخريطة الكاملة للكروموسوم البكتيري لـ Escherichia coli في عام 1963. وهي توضح بالتفصيل الموقع الدقيق لما يقرب من 100 جين ، ولكن من المعروف اليوم أن كروموسوم E. coli يحتوي على أكثر من 1000 جين وحجمه 4.2. مليون زوج أساسي.

آليات التعبير الجيني

تتشابه آلية التعبير الجيني في البكتيريا في بعض النواحي مع عملية التعبير الجيني التي تحدث في الكائنات الحية الأخرى وتعتمد أيضًا على عمليات النسخ والترجمة.

يتم نسخ المعلومات من الجينات إلى جزيء RNA وبالتالي إلى تسلسل الأحماض الأمينية التي تتكون منها البروتينات. هذه العملية هي ما ينفذ التعبير عن المعلومات الواردة في التركيب الجيني والبنية في النمط الظاهري.

النسخ

في عملية النسخ ، ينتج إنزيم بوليميراز RNA منتجًا مكملًا لجزء من الحمض النووي يستخدمه كقالب ، ولكن هذا المنتج هو حمض الريبونوكلييك (RNA).

يحمل هذا الجزيء المعلومات الخاصة بتركيب البروتين المشفر بواسطة مقطع DNA ، وهو عبارة عن نطاق واحد ويسمى messenger RNA. يختلف بوليميراز RNA للبكتيريا في البكتيريا والكائنات حقيقية النواة.

يحدد RNA polymerase موقعًا معينًا على DNA (المروج) حيث يرتبط ببدء النسخ. يمكن أن يحتوي جزيء RNA رسول واحد على معلومات لأكثر من جين واحد.

على عكس الكائنات حقيقية النواة ، لا تحتوي جينات البكتيريا على "إنترونات" في تسلسلها ، لأن البكتيريا ليس لديها نواة تفصل الكروموسوم عن العناصر الأخرى في السيتوبلازم.

ترجمة

نظرًا لأن جميع العناصر "فضفاضة" في سيتوبلازم الخلية البكتيرية ، يمكن لجزيئات الحمض النووي الريبي المركب حديثًا أن تتلامس مع الريبوسومات وتبدأ في تخليق البروتين على الفور.

وهذا يتيح للبكتيريا أن تتمتع بميزة في الاستجابة والتكيف مع التغيرات الشديدة في البيئة.

يشارك RNA الريبوسوم ، RNA الناقل ، ومختلف البروتينات الريبوسومية في الترجمة. تختلف ريبوسومات الخلايا بدائية النواة في التركيب والتكوين بالنسبة إلى ريبوسومات الخلايا حقيقية النواة.

هذه العناصر "تقرأ" في شكل ثلاثة توائم نيوكليوتيد (كودونات) التعليمات المجسدة في الشفرة الجينية لجزيئات الحمض النووي الريبي المرسال ، وفي نفس الوقت ، تقوم بتجميع كل من الأحماض الأمينية لتشكيل البولي ببتيد.

تسمح "عالمية" الشفرة الجينية للعلماء باستخدام ترجمة البكتيريا كأداة مهمة لتخليق الببتيدات والبروتينات ذات الاهتمامات التكنولوجية.

تنظيم التعبير الجيني

الآلية التي تتحكم في التعبير الجيني في البكتيريا دقيقة للغاية ؛ يسمح لهم بالتنظيم الدقيق لكمية وتوقيت تخليق المنتج الجيني ، بحيث لا تحدث إلا عند الضرورة.

تسمى منطقة الجينوم البكتيري التي تجمع عدة جينات معًا "أوبرون". تعمل هذه المنطقة على تنشيط أو إلغاء تنشيط نسخها اعتمادًا على الظروف التي تكون فيها البكتيريا.

يتم نسخ جميع الجينات التي هي جزء من نفس الأوبون بشكل منسق إلى الحمض النووي الريبي الرسول الذي يحتوي على العديد من الجينات (تسمى RNA "polycistronic"). تُترجم هذه الرناوات على الريبوسومات بالتتابع ، واحدًا تلو الآخر.

يمكن تنظيم العوامل بشكل إيجابي أو سلبي. تتوقف الجينات عن التعبير عن نفسها فقط عندما ترتبط البروتينات المثبطة التي تسمى المكثفات بتسلسل معين في بنيتها.

يسمى التسلسل المحدد للجين "المحفز" ، عندما يرتبط بروتين المثبط بالمحفز ، لا يمكن لبوليميراز الحمض النووي الريبي أن يبدأ نسخ التسلسل الجيني المعني.

من ناحية أخرى ، عندما يتم تنظيم الأوبرا ، لن يبدأ نسخ تلك المنطقة الجينية حتى يوجد بروتين منشط يرتبط بتسلسل DNA المحدد.

يستخدم العلماء هذا "الحافز" للأوبراونات لزيادة أو تقليل التعبير الجيني لمناطق معينة من الاهتمام بالبكتيريا. من خلال إدخال بعض الركائز ، يمكن زيادة التعبير عن الإنزيمات اللازمة لعملية التمثيل الغذائي.

نقل الجينات

على عكس الخلايا حقيقية النواة ، لا تنقل البكتيريا جيناتها من خلال التكاثر الجنسي ؛ بدلاً من ذلك ، يمكنها القيام بذلك من خلال ثلاث عمليات مختلفة: التحول ، والتنبيغ ، والاقتران.

نقل الجينات الأفقي في البكتيريا (المصدر: 2013MMG320B عبر ويكيميديا ​​كومنز)

تحويل

في عملية التحول ، تصبح بعض الخلايا البكتيرية في السكان "مؤهلة". بمجرد أن يصبحوا "مؤهلين" ، يصبحون قادرين على تلقي الحمض النووي الخارجي من البكتيريا الأخرى الموجودة في البيئة خارج الخلية.

بمجرد أن يتم دمج الحمض النووي في داخل الخلية ، تقوم البكتيريا بعملية الجمع بين الجينات الموجودة في كروموسومها مع الحمض النووي الغريب الذي تم دمجه للتو بداخله. تُعرف هذه العملية بإعادة التركيب الجيني.

التوضيح

في عملية التحويل ، تدمج البكتيريا الحمض النووي من البكتيريا الأخرى في جزيء الحمض النووي الخاص بها من خلال الفيروسات التي تصيب البكتيريا (العاثيات). يمكن تقديم ذلك بطريقة متخصصة أو عامة.

في التنبيغ المتخصص ، يحدث عندما تكتسب العاثية التي أصابت بكتيريا أخرى جيناتها خلال الدورة المعدية.

في وقت لاحق ، عن طريق إصابة بكتيريا جديدة ودمج جيناتها في كروموسوم البكتيريا المصابة الجديدة ، فإنها تدمج أيضًا جينات من البكتيريا التي أصابتها سابقًا.

أثناء النقل المعمم ، تشتمل جزيئات الملتهمة المعيبة التي تحتوي على قفيصاتها الفارغة على جزء من الكروموسوم البكتيري أثناء تكاثر الفيروس ، وبعد ذلك ، بمجرد إصابة بكتيريا أخرى ، يمكنها إدخال الجينات المأخوذة من البكتيريا السابقة.

اقتران

في الاقتران ، تتبادل البكتيريا المادة الوراثية بطريقة أحادية الاتجاه ، من خلال الاتصال الجسدي. تعمل إحدى البكتيريا كمتبرع والأخرى كمتلقي. في هذه العملية ، تعطي البكتيريا المانحة بشكل عام جزيء DNA البلازميد للبكتيريا المتلقية.

لا يعتبر الاقتران في البكتيريا نموذجيًا لجميع الأنواع ، حيث تُمنح قدرة الاقتران من خلال الجينات التي تنتقل عبر جزيء DNA البلازميد.

المراجع

1. براون ، و. (1953). علم الوراثة البكتيرية. علم الوراثة البكتيرية.
2. بروك ، TD (1990). ظهور الجينات البكتيرية (رقم 579: 575 BRO). كولد سبرينغ هاربور ، نيويورك: مطبعة مختبر كولد سبرينغ هاربور.
3. فراي ، جي سي ، آند داي ، إم جي (محرران). (1990). الجينات البكتيرية في البيئات الطبيعية (ص 55-80). لندن: تشابمان آند هول.
4. Griffiths، AJ، Wessler، SR، Lewontin، RC، Gelbart، WM، Suzuki، DT، & Miller، JH (2005). مقدمة في التحليل الجيني. ماكميلان.
5. لوريا ، SE (1947). التطورات الحديثة في علم الوراثة البكتيرية. المراجعات البكتريولوجية، 11 (1) ، 1.