GENETICA BATTERICA: ORGANIZZAZIONE, MECCANISMI, REGOLAZIONE, TRASFERIMENTO - BIOLOGIA - 2025

La genetica batterica è lo studio delle basi dell'informazione genetica all'interno delle cellule dei batteri. Ciò comprende l'organizzazione dell'informazione genetica, come è regolata, come viene espressa e come varia.

I primi esperimenti sulla genetica batterica furono effettuati nel XIX secolo, in un contesto storico in cui non si sapeva ancora se i batteri avessero meccanismi per lo scambio di informazioni genetiche, non si sapeva nemmeno se possedessero un cromosoma.

DNA batterico (Fonte: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) translation: Sponk (talk) derivative work: Radio89 via Wikimedia Commons)

L'unica vera certezza era che i batteri potevano stabilire linee stabili con fenotipi diversi, almeno per l'assimilazione di diversi composti nutritivi, e che occasionalmente ne emergevano nuove forme, apparentemente dovute a mutazioni genetiche.

Con la grande incertezza che esisteva a quel tempo sui batteri, era imperativo rispondere sperimentalmente ad alcune domande sulla "genetica batterica", soprattutto per capire se i batteri soddisfacevano i principi di base dell'ereditarietà.

Alla fine, nel 1946, Joshua Lederberg e Edward Tatum hanno risolto queste domande fondamentali utilizzando due ceppi di batteri Escherichia coli, ceppo A e ceppo B, ciascuno con esigenze nutrizionali diverse.

Le cellule di tipo A e B non erano in grado di crescere in un mezzo minimo, poiché entrambi avevano mutazioni che impedivano loro di assimilare i nutrienti da detto terreno.

Tuttavia, quando A e B sono stati miscelati per alcune ore e successivamente seminati sulla piastra del mezzo minimo, alcune colonie sono apparse sulle piastre del mezzo minimo, cioè sono cresciute.

Queste colonie provenivano da singole cellule che avevano scambiato materiale genetico e, dopo lo scambio, erano in grado di esprimere l'informazione genetica nel fenotipo e quindi di assimilare i nutrienti dal mezzo minimo.

Organizzazione dell'informazione genetica

Tutte le informazioni genetiche necessarie alla vita di un batterio si trovano all'interno del "cromosoma batterico", una singola molecola di acido desossiribonucleico (DNA) a doppio filamento.

Questa molecola di DNA è disposta in una struttura circolare, chiusa da legami covalenti, e forma, insieme ad alcune proteine, il cromosoma batterico.

I batteri, oltre al cromosoma batterico, possono possedere frammenti di DNA extracromosomico di dimensioni inferiori, ma anche strutturati in modo circolare chiuso. Queste molecole di DNA sono chiamate collettivamente "plasmidi" o "DNA plasmidico".

Le molecole di DNA plasmidico vengono utilizzate dai batteri per scambiare informazioni genetiche molto particolari tra di loro.

Generalmente, quando una delle cellule batteriche sviluppa resistenza contro un antibiotico, può trasmettere quella resistenza alle altre cellule batteriche attraverso i plasmidi.

La dimensione della molecola di DNA plasmidico nei batteri può variare da 3 a 10 kg di basi e in molte specie di batteri si possono trovare centinaia di copie di un singolo tipo di plasmide.

La composizione e la struttura del DNA dei batteri è la stessa di quella che si trova in tutti gli esseri viventi e nei virus. La sua struttura è costituita da uno scheletro di zucchero, basi azotate e gruppi fosfato.

La mappa completa del cromosoma batterico di Escherichia coli è stata ottenuta nel 1963. Descriveva in dettaglio la posizione esatta di circa 100 geni, ma oggi è noto che il cromosoma di E. coli contiene più di 1000 geni ed è di dimensione 4,2. milioni di paia di basi.

Meccanismi di espressione genica

Il meccanismo di espressione genica dei batteri è simile per alcuni aspetti al processo di espressione genica che avviene in altri esseri viventi e dipende anche dai processi di trascrizione e traduzione.

L'informazione dei geni viene trascritta ad una molecola di RNA e successivamente alla sequenza di amminoacidi che costituiscono le proteine. Questo processo è ciò che realizza l'espressione delle informazioni contenute nel genotipo e la struttura nel fenotipo.

Trascrizione

Nella trascrizione, l'enzima RNA polimerasi crea un prodotto complementare a un segmento di DNA che utilizza come modello, ma questo prodotto è l'acido ribonucleico (RNA).

Questa molecola trasporta le informazioni per la sintesi della proteina codificata dal segmento di DNA, è una singola banda ed è chiamata RNA messaggero. La RNA polimerasi dei batteri è diversa nei batteri e negli organismi eucarioti.

La RNA polimerasi identifica un sito specifico sul DNA (promotore) dove si lega per iniziare la trascrizione. Una singola molecola di RNA messaggero può contenere le informazioni per più di un gene.

A differenza degli organismi eucarioti, i geni dei batteri non hanno "introni" nella loro sequenza, poiché i batteri non hanno un nucleo che separa il cromosoma dagli altri elementi del citoplasma.

Traduzione

Poiché tutti gli elementi sono "sciolti" nel citoplasma delle cellule batteriche, le molecole di RNA messaggero di nuova sintesi possono entrare in contatto con i ribosomi e avviare immediatamente la sintesi proteica.

Ciò consente ai batteri di avere un vantaggio nel rispondere e adattarsi ai cambiamenti estremi nell'ambiente.

L'RNA ribosomiale, l'RNA di trasferimento e varie proteine ​​ribosomiali partecipano alla traduzione. I ribosomi delle cellule procariotiche variano per struttura e composizione rispetto ai ribosomi delle cellule eucariotiche.

Questi elementi stanno "leggendo" sotto forma di triplette nucleotidiche (codoni) le istruzioni incorporate nel codice genetico delle molecole di RNA messaggero e, allo stesso tempo, stanno assemblando ciascuno degli amminoacidi per formare il polipeptide.

L '"universalità" del codice genetico consente agli scienziati di utilizzare la traduzione di batteri come uno strumento importante per la sintesi di peptidi e proteine ​​con interessi tecnologici.

Regolazione dell'espressione genica

Il meccanismo che controlla l'espressione genica nei batteri è estremamente accurato; consente loro di regolare con precisione la quantità e la tempistica della sintesi del prodotto genico, in modo che si verifichino solo quando necessario.

Una regione del genoma batterico che raggruppa diversi geni è chiamata "operone". Questa regione attiva o disattiva la sua trascrizione a seconda delle condizioni in cui si trova il batterio.

Tutti i geni che fanno parte dello stesso operone vengono trascritti coordinatamente nell'RNA messaggero che contiene molti geni (chiamato RNA "policistronico"). Questi RNA vengono tradotti sui ribosomi in sequenza, uno dopo l'altro.

Gli operatori possono essere regolati positivamente o negativamente. I geni smettono di esprimersi solo quando le proteine ​​inibitorie chiamate repressori si legano a una sequenza specifica nella loro struttura.

La sequenza specifica del gene è chiamata "promotore", quando la proteina repressore è legata al promotore, la RNA polimerasi non può iniziare la trascrizione della sequenza genetica in questione.

D'altra parte, quando gli operoni sono sovraregolati, la trascrizione di quella regione genetica non inizierà fino a quando non sarà presente una proteina attivatrice che si lega alla specifica sequenza di DNA.

Gli scienziati usano questa "inducibilità" degli operoni per aumentare o diminuire l'espressione genica di alcune regioni di interesse nei batteri. Introducendo alcuni substrati, è possibile aumentare l'espressione degli enzimi necessari al metabolismo.

Trasferimento genico

I batteri, a differenza delle cellule eucariotiche, non trasferiscono i loro geni attraverso la riproduzione sessuale; invece, possono farlo attraverso tre diversi processi: trasformazione, trasduzione e coniugazione.

Trasferimento genico orizzontale nei batteri (Fonte: 2013MMG320B tramite Wikimedia Commons)

Trasformazione

In trasformazione , alcune cellule batteriche della popolazione diventano "competenti". Una volta "competenti" sono in grado di ricevere DNA esogeno da altri batteri presenti nell'ambiente extracellulare.

Una volta che il DNA è stato incorporato all'interno della cellula, i batteri eseguono un processo di combinazione dei geni contenuti nel loro cromosoma con il DNA estraneo che è stato appena incorporato al suo interno. Questo processo è noto come ricombinazione genetica.

trasduzione

Nella trasduzione, i batteri incorporano il DNA di altri batteri nella loro molecola di DNA attraverso virus che infettano i batteri (batteriofagi). Questo può essere dato in modo specializzato o generalizzato.

Nella trasduzione specializzata, si verifica quando un fago che in precedenza ha infettato un altro batterio acquisisce i suoi geni durante il ciclo infettivo.

Successivamente, infettando un nuovo batterio e incorporando i suoi geni nel cromosoma del nuovo batterio infetto, incorpora anche i geni del batterio precedentemente infettato.

Durante la trasduzione generalizzata, le particelle fagiche difettose che hanno i loro capside vuoti incorporano parte del cromosoma batterico durante la replicazione virale, quindi, una volta infettato un altro batterio, possono introdurre i geni presi dal batterio precedente.

Coniugazione

Nella coniugazione, i batteri scambiano materiale genetico in modo unidirezionale, attraverso il contatto fisico. Uno dei batteri funge da donatore e l'altro da ricevente. In questo processo, i batteri donatori generalmente danno una molecola di DNA plasmidico ai batteri riceventi.

La coniugazione nei batteri non è tipica di tutte le specie, la capacità di coniugazione è garantita da geni che vengono trasmessi attraverso una molecola di DNA plasmidico.

Riferimenti

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