Mikrobiální genetika - Microbial genetics
Mikrobiální genetika je oborovou oblastí mikrobiologie a genetického inženýrství . Mikrobiální genetika studuje mikroorganismy pro různé účely. Pozorované mikroorganismy jsou bakterie a archea. Některé houby a prvoci jsou také předměty používané ke studiu v této oblasti. Studie mikroorganismů zahrnují studie genotypu a expresního systému. Genotypy jsou zděděné kompozice organismu. (Austin, „Genotyp“ a další) Genetické inženýrství je obor práce a studia v rámci mikrobiální genetiky. Využití technologie rekombinantní DNA je proces této práce. Tento proces zahrnuje vytváření molekul rekombinantní DNA manipulací se sekvencí DNA. Tato vytvořená DNA je poté v kontaktu s hostitelským organismem. Klonování je také příkladem genetického inženýrství.
Od objevu mikroorganismů Robertem Hookem a Antoniem van Leeuwenhoekem v letech 1665-1885 se používají ke studiu mnoha procesů a mají uplatnění v různých oblastech studia v genetice. Například: Vědci ke studiu evoluce využívají rychlý růst mikroorganismů a krátké doby generování. Objevy Roberta Hooke a Antoni van Leeuwenhoka zahrnovaly vyobrazení, pozorování a popisy mikroorganismů. Mucor je mikrofungus, který Hooke představil a zobrazil. Jeho přínosem je Mucor jako první mikroorganismus, který bude ilustrován. Příspěvek Antoni van Leeuwenhoeka k mikroskopickým prvokům a mikroskopickým bakteriím přinesl vědecká pozorování a popisy. Tyto příspěvky byly provedeny jednoduchým mikroskopem, který vedl k porozumění mikrobům dnes a pokračuje v porozumění vědců. Mikrobiální genetika má také aplikace ve schopnosti studovat procesy a cesty, které jsou podobné těm, které se nacházejí u lidí, jako je metabolismus léčiv.
Role v porozumění evoluci
Mikrobiální genetika se může zaměřit na práci Charlese Darwina a vědci pokračovali ve studiu jeho práce a teorií pomocí mikrobů. Konkrétně je použit Darwinova teorie přirozeného výběru. Studium evoluce pomocí mikrobiální genetiky zahrnuje vědce zkoumající evoluční rovnováhu. Příkladem toho, jak toho mohou dosáhnout, je studium přirozeného výběru nebo driftování mikrobů. Aplikace těchto znalostí pochází z hledání přítomnosti nebo nepřítomnosti různými způsoby. Mezi způsoby patří identifikace určitých cest, genů a funkcí. Jakmile je subjekt pozorován, vědec jej může porovnat se sekvencí konzervovaného genu. Proces studia mikrobiální evoluce tímto způsobem postrádá schopnost poskytnout časové měřítko, kdy k evoluci došlo. Tímto testováním evoluce se však vědec může naučit míry a výsledky evoluce. Studium vztahu mezi mikroby a prostředím je klíčovou součástí evoluce mikrobiální genetiky.
Mikroorganismy, jejichž studium je zahrnuto v mikrobiální genetice
Bakterie
Bakterie jsou na této planetě přibližně 3,5 miliardy let a jsou klasifikovány podle jejich tvaru. Bakteriální genetika studuje mechanismy jejich dědičných informací, jejich chromozomy , plazmidy , transpozony a fágy .
Mezi systémy přenosu genů, které byly rozsáhle studovány na bakteriích, patří genetická transformace , konjugace a transdukce . Přirozená transformace je bakteriální adaptací pro přenos DNA mezi dvěma buňkami prostřednictvím intervenujícího média. Příjem DNA dárce a její rekombinační začlenění do chromozomu příjemce závisí na expresi mnoha bakteriálních genů, jejichž produkty tento proces řídí. Obecně je transformace složitý, energii vyžadující vývojový proces, který se jeví jako adaptace pro opravu poškození DNA.
Bakteriální konjugace je přenos genetického materiálu mezi bakteriálními buňkami přímým kontaktem buňka s buňkou nebo mostním spojením mezi dvěma buňkami. Bakteriální konjugace byla rozsáhle studována na Escherichia coli , ale vyskytuje se také u jiných bakterií, jako je Mycobacterium smegmatis . Konjugace vyžaduje stabilní a rozšířený kontakt mezi dárcem a kmenem příjemce, je odolná vůči DNase a přenesená DNA je začleněna do chromozomu příjemce homologní rekombinací . Konjugace E. coli je zprostředkována expresí plazmidových genů, zatímco mykobakteriální konjugace je zprostředkována geny na bakteriálním chromozomu.
Transdukce je proces, kterým je cizí DNA zavedena do buňky virem nebo virovým vektorem . Transdukce je běžný nástroj, který používají molekulární biologové ke stabilnímu zavedení cizího genu do genomu hostitelské buňky .
Archaea
Archaea je doménou prokaryotických , jednobuněčných organismů, o nichž se předpokládá, že se vyvinuly před 4 miliardami let. „Nemají uvnitř buněk žádné buněčné jádro ani žádné jiné organely.“ Archaea se nepohlavně replikuje v procesu známém jako binární štěpení. Cyklus dělení buněk zahrnuje, když se replikují chromozomy dceřiných buněk. Protože archea mají chromozom singulární struktury, oddělují se dvě dceřiné buňky a dělí se. Archaea má pohyblivost s bičíky, což je struktura podobná ocasu. Archaealní chromozomy se replikují z různého původu replikace a vytvářejí dvě haploidní dceřiné buňky. „S bakteriemi sdílejí společného předka , ale ve srovnání s bakteriemi jsou s eukaryoty bližší. Některé Archaea jsou schopné přežít extrémní prostředí, což vede k mnoha aplikacím v oblasti genetiky. Jednou z takových aplikací je použití archealea enzymy, které by dokázaly lépe přežít drsné podmínky in vitro .
Genový přenos a genetickou výměnu byly studovány v halofilní archaeon Halobacterium volcanii a hypertermofilní archaeons Sulfolobus solfataricus a Sulfolobus acidocaldarius . H. volcani tvoří cytoplazmatické můstky mezi buňkami, které se zdají být použity pro přenos DNA z jedné buňky do druhé v obou směrech. Když jsou S. solfataricus a S. acidocaldarius vystaveni činidlům poškozujícím DNA, je indukována druhově specifická buněčná agregace. Buněčná agregace zprostředkovává výměnu chromozomálních markerů a genetickou rekombinaci s vysokou frekvencí. Předpokládá se, že buněčná agregace zvyšuje druhově specifický přenos DNA mezi buňkami Sulfolobus za účelem zajištění zvýšené opravy poškozené DNA pomocí homologní rekombinace . Archaea se dělí na 3 podskupiny, které jsou halofily, methanogeny a termoacidofily. První skupina, methanogeny, jsou archaeabakterie, které žijí v bažinách a močálech a také ve střevech lidí. Hrají také hlavní roli při rozpadu a rozkladu s mrtvými organismy. Methanogeny jsou anaerobní organismy, které jsou usmrceny, když jsou vystaveny kyslíku. Druhá podskupina archaeabakterií, halofilů, jsou organismy, které se vyskytují v oblastech s vysokou koncentrací soli, jako je Velké solné jezero a Mrtvé moře. Třetí podskupina termoacidofilů nazývaná také termofily jsou organismy, které žijí v kyselých oblastech. Jsou přítomny v oblasti s nízkými hodnotami pH, jako jsou horké prameny a gejzíry. Většina teplomilů se nachází v národním parku Yellowstone.
Archaeal Genetics je studium genů, které se skládají z buněk bez jádra. Archaea má jeden kruhový chromozom, který obsahuje několik počátků replikace pro zahájení syntézy DNA. Replikace DNA Archaea zahrnuje podobné procesy včetně iniciace, prodloužení a ukončení. Primasa použitá k syntéze primeru RNA se liší od eukaryot. Primasa od archaea je vysoce odvozenou verzí motivu pro rozpoznávání RNA (RRM). Archaea pochází z grampozitivních bakterií, které mají jedinou lipidovou dvojvrstvu a jsou odolné vůči antibiotikům. Archaea jsou podobné mitochondriím v eukaryotech v tom, že uvolňují energii jako adenosintrifosfát (ATP) prostřednictvím chemické reakce zvané metabolismus. Některé archea známé jako fototrofní archea využívají sluneční energii k produkci ATP. ATP syntáza se používá jako fotofosforylace k přeměně chemikálií na ATP.
Archaea a bakterie jsou si strukturálně podobné, i když nejsou ve stromu života úzce spjaty. Tvary bakterií a buněk archaea se liší od sférického tvaru známého jako coccus nebo tyčinkového tvaru známého jako bacillus. Jsou také příbuzní bez vnitřní membrány a buněčné stěny, která pomáhá buňce udržovat její tvar. Přestože archaeální buňky mají buněčné stěny, neobsahují peptidoglykan, což znamená, že archea nevytváří celulózu ani chitin. Archaea jsou nejblíže příbuzné eukaryotům díky tRNA přítomné v archea, ale ne v bakteriích. Archaea má stejné ribozomy jako eukaryoty, které syntetizují do proteinů. Kromě morfologie archea a bakterií existují mezi těmito doménami další rozdíly. Archaea, která žije v extrémních a drsných prostředích s nízkými hodnotami pH, jako jsou solná jezera, oceány a ve střevech přežvýkavců a lidí, je také známá jako extremofili. Naproti tomu se bakterie nacházejí v různých oblastech, jako jsou rostliny, zvířata, půda a skály.
Houby
Houby mohou být mnohobuněčné i jednobuněčné organismy a odlišují se od ostatních mikrobů způsobem, jakým získávají živiny. Houby vylučují do svého okolí enzymy , které rozkládají organické látky. Houbová genetika využívá kvasinky a vláknité houby jako modelové organismy pro eukaryotický genetický výzkum, včetně regulace buněčného cyklu , struktury chromatinu a regulace genů .
Studie houby Neurospora crassa významně přispěly k pochopení fungování genů . N. crassa je druh formy na červený chléb kmene Ascomycota . Používá se jako modelový organismus, protože se snadno pěstuje a má haploidní životní cyklus, který usnadňuje genetickou analýzu, protože recesivní rysy se projeví u potomstva. Analýza genetické rekombinace je usnadněna uspořádaným uspořádáním produktů meiózy v askosporách . N. crassa ve svém přirozeném prostředí žije převážně v tropických a subtropických oblastech. Často je lze nalézt rostoucí na odumřelé rostlinné hmotě po požárech.
Neurosporu použili Edward Tatum a George Beadle ve svých experimentech, za které v roce 1958 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu . Výsledky těchto experimentů vedly přímo k hypotéze enzymu jeden gen-jeden, že specifické geny kódují specifické proteiny . Tento koncept se ukázal být úvodní zbraní v oblasti molekulární genetiky a veškerého vývoje, který z toho plynul.
Saccharomyces cerevisiae je kvasinky na kmen Ascomycota . Během vegetativního růstu, ke kterému obvykle dochází, když jsou živiny hojné, se S. cerevisiae reprodukuje mitózou jako diploidní buňky. Když však hladoví, tyto buňky procházejí meiózou za vzniku haploidních spór . K páření dochází, když se haploidní buňky opačných typů páření MATa a MATα dostanou do kontaktu. Ruderfer a kol. poukázal na to, že v přírodě jsou takové kontakty mezi blízce příbuznými kvasinkovými buňkami časté ze dvou důvodů. První je, že buňky opačného typu páření jsou přítomny společně ve stejném akusu , vaku, který obsahuje buňky přímo produkované jedinou meiózou , a tyto buňky se mohou navzájem pářit. Druhým důvodem je, že haploidní buňky jednoho pářícího typu po buněčném dělení často produkují buňky opačného párovacího typu. Analýza původu přirozenýchkmenů S. cerevisiae dospěla k závěru, že k křížení dochází velmi zřídka (pouze asi jednou za 50 000 buněčných dělení). Relativní vzácnost povahy meiotických událostí, které jsou výsledkem křížení, naznačuje, že možné dlouhodobé přínosy křížení (např. Generování rozmanitosti) pravděpodobně nebudou dostatečné pro obecné udržení sexu z jedné generace na druhou. Klíčem k udržení sexu v S. cerevisiae může být spíše krátkodobý přínos, jako je meiotická rekombinační oprava poškození DNA způsobených stresovými podmínkami (jako je hladovění).
Candida albicans je diploidní houba, která roste jak jako kvasinka, tak jako vlákno . C. albicans je nejběžnějším houbovým patogenem u lidí. Způsobuje oslabující slizniční infekce a potenciálně život ohrožující systémové infekce. C. albicans udržoval propracovaný, ale do značné míry skrytý pářící aparát. Johnson navrhl, že strategie páření mohou C. albicans přežít v nepřátelském prostředí savčího hostitele.
Mezi 250 známými druhy aspergilli má přibližně 33% identifikovaný sexuální stav. Mezi druhy Aspergillus, které vykazují sexuální cyklus, je v přírodě drtivá většina homothalických (samooplodných). Samoopelení v homothalické houbě Aspergillus nidulans zahrnuje aktivaci stejných cest páření charakteristických pro pohlaví u druhů s křížením, tj. Vlastní oplodnění neobchází požadované cesty pro překročení pohlaví, ale místo toho vyžaduje aktivaci těchto cest v rámci jednoho jedince. Fúze haploidních jader probíhá v reprodukčních strukturách nazývaných kleistothecia , ve kterých diploidní zygota podléhá meiotickému dělení za vzniku haploidních askospor .
Prvoci
Prvoci jsou jednobuněčné organismy, které mají v cytoplazmě jádra a ultramikroskopická buněčná těla. Jedním konkrétním aspektem prvoků, které jsou zajímavé pro lidské genetiky, jsou jejich bičíky , které jsou velmi podobné bičíkům lidských spermií .
Studie Paramecium přispěly k našemu chápání funkce meiózy. Jako u všech nálevníků , Paramecium má polyploid jaderný dualismus , a jeden nebo více diploidní mikrojádra . Jaderný dualismus ovládá nereprodukčních buněčných funkcí, exprimující geny potřebné pro každodenní činnosti. Mikrojader je generativní, nebo zárodečné jádro, obsahující genetický materiál, který je předán spolu z jedné generace na generaci.
Ve fázi asexuálního štěpení, během níž dochází k dělení buněk mitózou spíše než meiózou , dochází ke klonálnímu stárnutí, které vede k postupné ztrátě vitality. U některých druhů, jako je dobře studovaná Paramecium tetraurelia , ztrácí nepohlavní řada klonálně stárnoucích paramecia vitalitu a vyprší po přibližně 200 štěpeních, pokud buňky neprocházejí meiózou, po níž následuje buď autogamie (vlastní oplodnění), nebo konjugace (křížení) (viz. stárnutí v Paramecium ). Poškození DNA se dramaticky zvyšuje během postupného dělení klonálních buněk a je pravděpodobnou příčinou klonálního stárnutí u P. tetraurelia .
Když jsou klonálně stárnutí P. tetraurelia stimulováni k meióze ve spojení buď s autogamií, nebo s konjugací , potomstvo se omladí a je schopno mít mnohem více mitotických binárních štěpných divizí. Během některého z těchto procesů mikrojádra buňky (buněk) procházejí meiózou, starý makronukleus se rozpadá a replikácí mikronukleární DNA, která nedávno prodělala meiózu, se vytvoří nový makronukleus. V novém makronukleu je zjevně malé, pokud vůbec nějaké, poškození DNA, což naznačuje, že omlazení je spojeno s opravou těchto poškození v mikrojádru během meiózy.
Viry
Viry jsou organismy kódující kapsidy složené z proteinů a nukleových kyselin, které se mohou samy sestavit po replikaci v hostitelské buňce pomocí replikačního stroje hostitele. Ve vědě panuje neshoda ohledně toho, zda viry žijí kvůli nedostatku ribozomů . Porozumění virovému genomu je důležité nejen pro studium genetiky, ale také pro pochopení jejich patogenních vlastností.
Mnoho typů virů je schopno genetické rekombinace. Když buňku infikují dva nebo více jednotlivých virů stejného typu, jejich genomy se mohou navzájem rekombinovat za vzniku potomstva rekombinantního viru. Viry DNA i RNA mohou podstoupit rekombinaci. Když dva nebo více virů, z nichž každý obsahuje smrtící genomové poškození, infikuje stejnou hostitelskou buňku, genomy viru se často mohou navzájem spárovat a podstoupit homologní rekombinační opravu za vzniku životaschopného potomstva. Tento proces je známý jako reaktivace multiplicity. Enzymy používané při reaktivaci multiplicity jsou funkčně homologní s enzymy používanými při bakteriální a eukaryotické rekombinační opravě. Bylo zjištěno, že k reaktivaci multiplicity dochází u patogenních virů, včetně chřipkového viru, HIV-1, adenovirového opičího viru 40, viru vakcinie, reoviru, polioviru a viru herpes simplex, jakož i mnoha bakteriofágů.
Každý živý organismus se může nakazit virem tím, že dá parazitům příležitost růst. Paraziti se živí živinami jiného organismu, což umožňuje viru vzkvétat. Jakmile lidské tělo detekuje virus, pak vytvoří stíhací buňky, které útočí na parazita/virus; doslova způsobující válku uvnitř těla. Virus může postihnout jakoukoli část těla a způsobit celou řadu nemocí, jako je chřipka, nachlazení a pohlavně přenosné choroby. Chřipka je vzdušný virus, který cestuje malými kapičkami a je formálně znám jako chřipka. Paraziti cestují vzduchem a napadají lidský dýchací systém. Lidé, kteří jsou zpočátku infikováni tímto virem, přenášejí infekci běžnou každodenní činností, jako je mluvení a kýchání. Když člověk přijde do styku s virem, na rozdíl od běžného nachlazení virus chřipky na lidi působí téměř okamžitě. Příznaky tohoto viru jsou velmi podobné nachlazení, ale mnohem horší. Bolesti těla, bolest v krku, bolest hlavy, studený pot, bolesti svalů a únava patří k mnoha symptomům doprovázeným virem. Virová infekce v horních dýchacích cestách má za následek nachlazení. S příznaky, jako je bolest v krku, kýchání, malá horečka a kašel, je nachlazení obvykle neškodné a má tendenci se do týdne uklidit. Běžná rýma je také virus, který se šíří vzduchem, ale může se také přenášet přímým kontaktem. Vývoj této infekce trvá několik dní; na rozdíl od chřipky jde o postupný proces.
Aplikace mikrobiální genetiky
Mikrobi jsou ideálně vhodní pro biochemické a genetické studie a významně přispěli k těmto vědním oborům, například k prokázání, že DNA je genetický materiál, že gen má jednoduchou lineární strukturu, že genetický kód je trojitý kód a že genová exprese je regulována specifickými genetickými procesy. Jacques Monod a François Jacob použili Escherichia coli , typ bakterie, k vývoji operonového modelu genové exprese , který položil základ genové exprese a regulace. Kromě toho jsou dědičné procesy jednobuněčných eukaryotických mikroorganismů podobné těm v mnohobuněčných organismech, což vědcům umožňuje shromažďovat informace o tomto procesu také. Další bakterie, která významně přispěla k genetice, je Thermus aquaticus , což je bakterie, která snáší vysoké teploty. Z tohoto mikroba vědci izolovali enzym Taq polymerasu , který se nyní používá v silné experimentální technice, polymerázové řetězové reakci (PCR). Navíc vývoj technologie rekombinantní DNA pomocí bakterií vedl k zrodu moderního genetického inženýrství a biotechnologie .
Pomocí mikrobů byly vyvinuty protokoly pro vložení genů do bakteriálních plazmidů s využitím výhod jejich rychlé reprodukce k vytvoření biofaktorií pro požadovaný gen. Tyto geneticky modifikované bakterie mohou produkovat léčiva, jako je inzulín , lidský růstový hormon , interferony a faktory srážení krve . Provoz a údržba těchto biologických továren je obvykle mnohem levnější než u alternativních postupů výroby léčiv. Jsou jako miliony malých farmaceutických strojů, které k výrobě velkého množství produktu vyžadují pouze základní suroviny a správné prostředí. Využití začlenění samotného genu pro lidský inzulín mělo hluboký dopad na lékařský průmysl. Předpokládá se, že biologické továrny mohou být konečným klíčem při snižování cen drahých farmaceutických sloučenin zachraňujících život.
Mikrobi syntetizují celou řadu enzymů pro průmyslové aplikace, jako jsou fermentované potraviny, laboratorní testovací činidla, mléčné výrobky (jako je renin ), a dokonce i v oděvech (například houba Trichoderma, jejíž enzym dodává džínům kamenný vzhled).
V současné době existuje potenciál pro použití mikrobů jako alternativy pro povrchově aktivní látky na bázi ropy. Mikrobiální povrchově aktivní látky by stále měly stejný druh hydrofilních a hydrofobních funkčních skupin jako jejich protějšky na bázi ropy, ale oproti své konkurenci mají mnoho výhod. Pro srovnání, mikrobiální amfifilní sloučeniny mají robustní tendenci zůstat funkční v extrémních prostředích, jako jsou oblasti s vysokou teplotou nebo extrémním ph. a přitom jsou biologicky rozložitelné a méně toxické pro životní prostředí. Tento účinný a levný způsob výroby by mohl být řešením stále rostoucí celosvětové spotřeby povrchově aktivních látek. Je ironií, že aplikace pro biologicky aktivní povrchově aktivní látky s největší poptávkou je ropný průmysl, který používá povrchově aktivní látky v obecné výrobě i při vývoji specifických olejových kompozic.
Mikrobi jsou bohatým zdrojem lipáz, které mají širokou škálu průmyslových a spotřebitelských aplikací. Enzymy plní v buňkách živých věcí celou řadu funkcí, takže má smysl jen to, že je můžeme použít pro podobné účely ve větším měřítku. Mikrobiální enzymy jsou typicky upřednostňovány pro hromadnou produkci kvůli široké škále dostupných funkcí a jejich schopnosti být vyráběny hromadně. Rostlinné a živočišné enzymy jsou obvykle příliš drahé na to, aby se mohly vyrábět ve velkém, ale není tomu tak vždy. Zvláště v rostlinách. Průmyslové aplikace lipáz obecně zahrnují enzym jako účinnější a nákladově efektivnější katalyzátor při výrobě komerčně cenných chemikálií z tuků a olejů, protože jsou schopné zachovat si své specifické vlastnosti v mírných snadno udržovatelných podmínkách a pracovat ve zvýšené míře . Mezi další již úspěšné aplikace lipolytických enzymů patří výroba biopaliv, polymerů, non-stereoizomerních léčiv, zemědělských sloučenin a sloučenin zlepšujících chuť.
Pokud jde o průmyslovou optimalizaci, přínosem biofactory způsobu výroby je schopnost řídit optimalizaci pomocí řízené evoluce. Účinnost a specifičnost výroby se v průběhu času zvýší zavedením umělého výběru. Tato metoda zlepšování efektivity není v zemědělství nic nového, ale v průmyslové výrobě je to relativně nový koncept. Předpokládá se, že tato metoda bude mnohem lepší než konvenční průmyslové metody, protože máte optimalizaci na více frontách. První z nich je, že mikroorganismy, které tvoří biofaktory, lze vyvinout podle našich potřeb. Druhou frontou je konvenční metoda optimalizace způsobená integrací pokrokových technologií. Tato kombinace konvenčního a biologického pokroku se právě využívá a poskytuje prakticky neomezený počet aplikací.
Viz také
Reference