พันธุศาสตร์ของแบคทีเรีย: องค์กรกลไกการควบคุมการถ่ายโอน - ชีววิทยา - 2026

พันธุกรรมแบคทีเรียคือการศึกษาของฐานข้อมูลทางพันธุกรรมภายในเซลล์ของแบคทีเรียที่ สิ่งนี้ครอบคลุมถึงการจัดระเบียบข้อมูลทางพันธุกรรมวิธีการควบคุมวิธีการแสดงออกและความแตกต่างกันอย่างไร

การทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับพันธุศาสตร์ของแบคทีเรียได้ดำเนินการในศตวรรษที่ 19 ในบริบททางประวัติศาสตร์ที่ยังไม่ทราบว่าแบคทีเรียมีกลไกในการแลกเปลี่ยนข้อมูลทางพันธุกรรมหรือไม่โดยยังไม่รู้ด้วยซ้ำว่าพวกมันมีโครโมโซมหรือไม่

DNA ของแบคทีเรีย (ที่มา: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) การแปล: Sponk (talk) งานอนุพันธ์: Radio89 ผ่าน Wikimedia Commons)

ความแน่นอนที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวก็คือแบคทีเรียสามารถสร้างสายพันธุ์ที่มีเสถียรภาพด้วยฟีโนไทป์ที่แตกต่างกันอย่างน้อยก็สำหรับการดูดซึมของสารประกอบทางโภชนาการที่แตกต่างกันและในบางครั้งก็มีรูปแบบใหม่เกิดขึ้นซึ่งเห็นได้ชัดว่าเกิดจากการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม

ด้วยความไม่แน่นอนอย่างมากที่มีอยู่เกี่ยวกับแบคทีเรียในเวลานั้นจึงจำเป็นต้องตอบคำถามบางอย่างเกี่ยวกับ "พันธุกรรมของแบคทีเรีย" ในการทดลองโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อทำความเข้าใจว่าแบคทีเรียตรงตามหลักการพื้นฐานของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมหรือไม่

ในที่สุดในปี 1946 Joshua Lederberg และ Edward Tatum ได้แก้คำถามพื้นฐานเหล่านี้โดยใช้แบคทีเรีย Escherichia coli 2 สายพันธุ์คือสายพันธุ์ A และสายพันธุ์ B ซึ่งแต่ละสายพันธุ์มีความต้องการทางโภชนาการที่แตกต่างกัน

เซลล์ Type A และ B ไม่สามารถเติบโตได้ในตัวกลางที่น้อยที่สุดเนื่องจากทั้งสองมีการกลายพันธุ์ที่ทำให้พวกมันไม่สามารถดูดซึมสารอาหารจากสื่อดังกล่าวได้

อย่างไรก็ตามเมื่อผสม A และ B เป็นเวลาสองสามชั่วโมงและต่อมาก็เพาะเมล็ดลงบนจานขนาดกลางที่เล็กที่สุดก็มีโคโลนีบางส่วนปรากฏขึ้นบนเพลตขนาดกลางที่เล็กที่สุดนั่นคือพวกมันเติบโตขึ้น

อาณานิคมเหล่านี้เกิดขึ้นจากเซลล์แต่ละเซลล์ที่แลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมและหลังจากการแลกเปลี่ยนสามารถแสดงข้อมูลทางพันธุกรรมในฟีโนไทป์และดูดซึมสารอาหารจากตัวกลางที่น้อยที่สุด

การจัดระเบียบข้อมูลทางพันธุกรรม

ข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการดำรงชีวิตของแบคทีเรียพบได้ใน "โครโมโซมของแบคทีเรีย" ซึ่งเป็นโมเลกุลเดี่ยวของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) แบบเกลียวคู่

โมเลกุลของดีเอ็นเอนี้ถูกจัดเรียงในโครงสร้างวงกลมปิดด้วยพันธะโควาเลนต์และรูปแบบร่วมกับโปรตีนบางชนิดโครโมโซมของแบคทีเรีย

แบคทีเรียนอกเหนือจากโครโมโซมของแบคทีเรียแล้วยังสามารถมีชิ้นส่วน DNA ที่มีขนาดเล็กกว่า แต่ยังมีโครงสร้างในลักษณะวงกลมปิด โมเลกุลของดีเอ็นเอเหล่านี้เรียกรวมกันว่า "พลาสมิด" หรือ "พลาสมิดดีเอ็นเอ"

โมเลกุลของ Plasmid DNA ถูกใช้โดยแบคทีเรียเพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลทางพันธุกรรมที่เฉพาะเจาะจงระหว่างกัน

โดยทั่วไปเมื่อเซลล์แบคทีเรียตัวใดตัวหนึ่งพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะก็สามารถถ่ายทอดความต้านทานนั้นไปยังเซลล์แบคทีเรียอื่น ๆ ผ่านพลาสมิด

ขนาดของโมเลกุลดีเอ็นเอของพลาสมิดในแบคทีเรียอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 3 ถึง 10 กิโลเบสและในแบคทีเรียหลายชนิดสามารถพบพลาสมิดชนิดเดียวได้หลายร้อยสำเนา

องค์ประกอบและโครงสร้างของ DNA ของแบคทีเรียเหมือนกับที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดและในไวรัส โครงสร้างประกอบด้วยโครงกระดูกน้ำตาลฐานไนโตรเจนและหมู่ฟอสเฟต

แผนผังที่สมบูรณ์ของโครโมโซมแบคทีเรีย Escherichia coli ได้รับในปี 2506 โดยมีรายละเอียดตำแหน่งที่แน่นอนของยีนประมาณ 100 ยีน แต่ปัจจุบันโครโมโซมของ E. coli เป็นที่ทราบกันดีว่ามียีนมากกว่า 1,000 ยีนและมีขนาด 4.2 คู่ฐานล้าน

กลไกการแสดงออกของยีน

กลไกการแสดงออกของยีนของแบคทีเรียมีความคล้ายคลึงกันในบางประการกับกระบวนการแสดงออกของยีนที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ และยังขึ้นอยู่กับกระบวนการถอดความและการแปล

ข้อมูลของยีนจะถูกถ่ายทอดไปยังโมเลกุลอาร์เอ็นเอและต่อมาเป็นลำดับของกรดอะมิโนที่ประกอบเป็นโปรตีน กระบวนการนี้เป็นสิ่งที่ดำเนินการแสดงออกของข้อมูลที่มีอยู่ในจีโนไทป์และโครงสร้างในฟีโนไทป์

การถอดความ

ในการถอดความเอนไซม์ RNA polymerase จะสร้างผลิตภัณฑ์เสริมให้กับส่วนดีเอ็นเอที่ใช้เป็นแม่แบบ แต่ผลิตภัณฑ์นี้คือกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA)

โมเลกุลนี้มีข้อมูลสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนที่เข้ารหัสโดยส่วนของ DNA ซึ่งเป็นแถบเดียวและเรียกว่า messenger RNA RNA polymerase ของแบคทีเรียแตกต่างกันในแบคทีเรียและในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต

RNA polymerase ระบุไซต์เฉพาะบน DNA (โปรโมเตอร์) ซึ่งเชื่อมโยงเพื่อเริ่มการถอดความ โมเลกุล RNA ของผู้ส่งสารเดี่ยวสามารถมีข้อมูลของยีนมากกว่าหนึ่งยีน

ซึ่งแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตยีนของแบคทีเรียไม่มี "อินตรอน" ในลำดับเนื่องจากแบคทีเรียไม่มีนิวเคลียสที่แยกโครโมโซมออกจากองค์ประกอบอื่น ๆ ของไซโทพลาซึม

การแปล

เนื่องจากองค์ประกอบทั้งหมด "หลวม" ในไซโทพลาสซึมของเซลล์แบคทีเรียโมเลกุล RNA ของ Messenger ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่สามารถสัมผัสกับไรโบโซมและเริ่มสังเคราะห์โปรตีนได้ทันที

สิ่งนี้ช่วยให้แบคทีเรียมีข้อได้เปรียบในการตอบสนองและปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงในสิ่งแวดล้อม

Ribosomal RNA, Transfer RNA และโปรตีนไรโบโซมต่างๆมีส่วนร่วมในการแปล ไรโบโซมของเซลล์โปรคาริโอตมีโครงสร้างและองค์ประกอบแตกต่างกันไปเมื่อเทียบกับไรโบโซมของเซลล์ยูคาริโอต

องค์ประกอบเหล่านี้ "อ่าน" ในรูปแบบของนิวคลีโอไทด์ทริปเปิล (โคดอน) คำแนะนำที่รวมอยู่ในรหัสพันธุกรรมของโมเลกุล RNA ของผู้ส่งสารและในขณะเดียวกันก็กำลังประกอบกรดอะมิโนแต่ละตัวเพื่อสร้างโพลีเปปไทด์

"ความเป็นสากล" ของรหัสพันธุกรรมช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้การแปลของแบคทีเรียเป็นเครื่องมือสำคัญในการสังเคราะห์เปปไทด์และโปรตีนด้วยความสนใจทางเทคโนโลยี

การควบคุมการแสดงออกของยีน

กลไกที่ควบคุมการแสดงออกของยีนในแบคทีเรียมีความแม่นยำมาก ช่วยให้สามารถควบคุมปริมาณและระยะเวลาของการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ยีนได้อย่างแม่นยำเพื่อให้เกิดขึ้นเมื่อจำเป็นเท่านั้น

บริเวณของจีโนมแบคทีเรียที่รวมกลุ่มยีนหลายยีนเข้าด้วยกันเรียกว่า "โอเพรอน" ภูมิภาคนี้เปิดใช้งานหรือปิดใช้งานการถอดเสียงขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่แบคทีเรียอยู่

ยีนทั้งหมดที่เป็นส่วนหนึ่งของ operon เดียวกันจะถูกถ่ายทอดอย่างประสานกันไปยัง messenger RNA ที่มียีนจำนวนมาก (เรียกว่า "polycistronic" RNA) RNA เหล่านี้ถูกแปลบนไรโบโซมตามลำดับทีละอัน

Operons สามารถควบคุมได้ในเชิงบวกหรือเชิงลบ ยีนจะหยุดแสดงออกก็ต่อเมื่อโปรตีนยับยั้งที่เรียกว่าตัวกดอัดจับกับลำดับเฉพาะในโครงสร้างของมัน

ลำดับที่เฉพาะเจาะจงของยีนเรียกว่า "ตัวส่งเสริม" เมื่อโปรตีนของตัวยับยั้งถูกจับกับตัวส่งเสริม RNA polymerase ไม่สามารถเริ่มการถอดความของลำดับพันธุกรรมที่เป็นปัญหาได้

ในทางกลับกันเมื่อ operons ได้รับการควบคุมการถอดความของบริเวณพันธุกรรมนั้นจะไม่เริ่มต้นจนกว่าจะมีโปรตีนตัวกระตุ้นที่จับกับลำดับดีเอ็นเอที่เฉพาะเจาะจง

นักวิทยาศาสตร์ใช้ "ความไม่สามารถใช้งานได้" ของโอเปอรอนเพื่อเพิ่มหรือลดการแสดงออกของยีนในบางพื้นที่ที่น่าสนใจในแบคทีเรีย ด้วยการแนะนำสารตั้งต้นบางชนิดการแสดงออกของเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการเผาผลาญอาหารสามารถเพิ่มขึ้นได้

การถ่ายโอนยีน

แบคทีเรียซึ่งแตกต่างจากเซลล์ยูคาริโอตจะไม่ถ่ายโอนยีนของพวกมันผ่านการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ แต่สามารถทำได้โดยกระบวนการที่แตกต่างกันสามขั้นตอน ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงการถ่ายทอดและการผันคำกริยา

การถ่ายทอดยีนในแนวนอนในแบคทีเรีย (ที่มา: 2013MMG320B ผ่าน Wikimedia Commons)

การแปลง

ในการเปลี่ยนแปลง,เซลล์แบคทีเรียในประชากรที่กลายเป็น "อำนาจ" เมื่อ "มีความสามารถ" พวกเขาสามารถรับ DNA ภายนอกจากแบคทีเรียอื่น ๆ ที่พบในสภาพแวดล้อมนอกเซลล์ได้

เมื่อดีเอ็นเอถูกรวมเข้ากับการตกแต่งภายในเซลล์แล้วแบคทีเรียจะดำเนินกระบวนการรวมยีนที่มีอยู่ในโครโมโซมกับดีเอ็นเอแปลกปลอมที่เพิ่งรวมอยู่ภายในเซลล์ กระบวนการนี้เรียกว่าการรวมตัวกันทางพันธุกรรม

transduction

ในการถ่ายทอดเชื้อแบคทีเรียจะรวมดีเอ็นเอจากแบคทีเรียอื่น ๆ เข้ากับโมเลกุลของดีเอ็นเอผ่านไวรัสที่ติดเชื้อแบคทีเรีย (bacteriophages) สิ่งนี้สามารถมอบให้ด้วยวิธีพิเศษหรือโดยทั่วไป

ในการถ่ายทอดเฉพาะจะเกิดขึ้นเมื่อ phage ที่ก่อนหน้านี้ติดเชื้อแบคทีเรียอื่นได้รับยีนของมันในระหว่างวงจรการติดเชื้อ

ต่อมาด้วยการติดเชื้อแบคทีเรียตัวใหม่และรวมยีนของมันเข้าไปในโครโมโซมของแบคทีเรียที่ติดเชื้อตัวใหม่มันยังรวมยีนจากแบคทีเรียที่เคยติดเชื้อมาก่อน

ในระหว่างการถ่ายโอนข้อมูลทั่วไปอนุภาคฟาจที่มีข้อบกพร่องซึ่งมีแคปซิดว่างจะรวมส่วนหนึ่งของโครโมโซมของแบคทีเรียในระหว่างการจำลองแบบของไวรัสจากนั้นเมื่อพวกมันติดเชื้อแบคทีเรียอื่นพวกมันสามารถแนะนำยีนที่นำมาจากแบคทีเรียตัวก่อนหน้าได้

การเชื่อมต่อกัน

ในการผันคำกริยาแบคทีเรียจะแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมในลักษณะทิศทางเดียวโดยการสัมผัสทางกายภาพ แบคทีเรียตัวหนึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคและอีกตัวเป็นผู้รับ ในกระบวนการนี้แบคทีเรียของผู้บริจาคโดยทั่วไปจะให้โมเลกุลดีเอ็นเอของพลาสมิดแก่แบคทีเรียผู้รับ

การผันคำกริยาในแบคทีเรียไม่ใช่เรื่องปกติของทุกสายพันธุ์ความสามารถในการผันคำกริยานั้นได้รับผ่านยีนที่ส่งผ่านโมเลกุลดีเอ็นเอของพลาสมิด

อ้างอิง

1. Braun, W. (1953). พันธุศาสตร์ของแบคทีเรีย พันธุศาสตร์ของแบคทีเรีย
2. Brock, TD (1990). การเกิดขึ้นของพันธุกรรมของแบคทีเรีย (หมายเลข 579: 575 BRO) Cold Spring Harbor, NY: สำนักพิมพ์ Cold Spring Harbor
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990) พันธุศาสตร์ของแบคทีเรียในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ (หน้า 55-80) ลอนดอน: แชปแมนและฮอลล์
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005) ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการวิเคราะห์ทางพันธุกรรม Macmillan
5. Luria, SE (2490). ความก้าวหน้าล่าสุดในพันธุศาสตร์ของแบคทีเรีย บทวิจารณ์ทางแบคทีเรีย, 11 (1), 1.