Войти
Микробная генетика является предметной областью в рамках микробиологии и генной инженерии. Микробная генетика изучает микроорганизмы для разных целей. Наблюдаемые микроорганизмы - это бактерии и археи. Некоторые грибы и простейшие также являются объектами изучения в этой области. Исследования микроорганизмов включают изучение генотипа и системы экспрессии. Генотипы - это унаследованные составы организма. (Остин, «Генотип», без даты) Генная инженерия - это область работы и исследований в области микробной генетики. Использование технологии рекомбинантной ДНК - это процесс этой работы. Процесс включает создание рекомбинантных молекул ДНК путем манипулирования последовательностью ДНК. Созданная ДНК затем контактирует с организмом-хозяином. Клонирование также является примером генной инженерии.
С момента открытия микроорганизмов Робертом Гуком и Антони ван Левенгук в период 1665-1885 годов они использовались для изучения многих процессов и нашли применение в различных областях исследований. в генетике. Например: быстрые темпы роста и короткое время генерации микроорганизмов используются учеными для изучения эволюции. Открытия Роберта Гука и Антони ван Левенгука включали изображения, наблюдения и описания микроорганизмов. Мукор - это микрогриб, который представил и описал Гук. Его вклад - Мукор как первый проиллюстрированный микроорганизм. Вклад Антони ван Левенгука в развитие микроскопических простейших и микроскопических бактерий стал предметом научных наблюдений и описаний. Эти вклады были сделаны с помощью простого микроскопа, который привел к пониманию микробов сегодня и продолжает развивать понимание ученых. Микробная генетика также может использоваться для изучения процессов и путей, которые аналогичны тем, которые обнаруживаются у людей, например, метаболизм лекарств.
Микробная генетика может сосредоточиться на работе Чарльза Дарвина, и ученые продолжили изучать его работу и теории, используя микробы. В частности, использовалась теория естественного отбора Дарвина. Изучение эволюции с помощью микробной генетики вовлекает ученых в эволюционный баланс. Примером того, как они могут это сделать, является изучение естественного отбора или дрейфа микробов. Применение этих знаний происходит из поиска наличия или отсутствия различными способами. Способы включают определение определенных путей, генов и функций. После наблюдения за субъектом ученый может сравнить его с последовательностью консервативного гена. В процессе изучения эволюции микробов таким образом отсутствует возможность указать временную шкалу, когда происходила эволюция. Однако, проверяя эволюцию таким образом, ученый может узнать скорость и результаты эволюции. Изучение взаимоотношений между микробами и окружающей средой является ключевым компонентом эволюции микробной генетики.
Бактерии классифицируются по их форме. Бактерии существуют на этой планете примерно 3,5 миллиарда лет и классифицируются по их форме. Бактериальная генетика изучает механизмы их наследственной информации, их хромосом, плазмиды, транспозоны и фаги.
Системы переноса генов, которые были широко изучены у бактерий, включают генетическую трансформацию, конъюгацию и трансдукция. Естественная трансформация - это бактериальная адаптация к переносу ДНК между двумя клетками через промежуточную среду. Поглощение донорской ДНК и ее рекомбинационное включение в хромосому реципиента зависит от экспрессии многочисленных бактериальных генов, продукты которых направляют этот процесс. В целом трансформация - это сложный, требующий энергии процесс развития, который, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК.
Бактериальная конъюгация - это перенос генетического материала между бактериальными клетками посредством прямой клетки контакт между ячейками или мостиковым соединением между двумя ячейками. Бактериальная конъюгация широко изучалась в Escherichia coli, но также встречается у других бактерий, таких как Mycobacterium smegmatis. Конъюгация требует стабильного и продолжительного контакта между донором и штаммом-реципиентом, имеет устойчивость к ДНКазе, а перенесенная ДНК встраивается в хромосому реципиента посредством гомологичной рекомбинации. Конъюгация E. coli опосредуется экспрессией генов плазмиды, тогда как конъюгация микобактерий опосредуется генами на бактериальной хромосоме.
Трансдукция - это процесс, посредством которого чужеродная ДНК вводится в клетку с помощью вируса или вирусного вектора. Трансдукция - распространенный инструмент, используемый молекулярными биологами для стабильного введения чужеродного гена в геном клетки-хозяина.
архей - это домен организмов, прокариотических, одиночных -клеточные, и считается, что они возникли 4 миллиарда лет назад. «У них нет клеточного ядра или каких-либо других органелл внутри своих клеток». Археи размножаются бесполым путем в процессе, известном как бинарное деление. Цикл клеточного деления включает репликацию хромосом дочерних клеток. Поскольку археи имеют особую структуру хромосомы, две дочерние клетки разделяются и клетка делится. У архей подвижность включает жгутики, которые представляют собой хвостовую структуру. Хромосомы архей реплицируются из разных источников репликации, производя две гаплоидные дочерние клетки. "У них общий предок с бактериями, но они более тесно связаны с эукариотами, чем с бактериями. Некоторые археи способны выживать в экстремальных условиях, что приводит к множеству применений в области генетики. Одно из таких применение - использование ферментов архей, которые могли бы лучше выжить в суровых условиях in vitro.
Перенос генов и генетический обмен были изучены на галофильных архее Halobacterium volcanii и гипертермофильные археи Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius. H. volcani образует цитоплазматические мостики между клетками, которые, по-видимому, используются для передачи ДНК от одной клетки к другой в любом направлении. Когда S. solfataricus и S. acidocaldarius подвергаются действию повреждающих ДНК агентов, индуцируется видоспецифическая клеточная агрегация. Клеточная агрегация опосредует обмен хромосомными маркерами и генетическую рекомбинацию с высокой частотой. Клеточная агрегация считается ht для усиления видоспецифичного переноса ДНК между клетками Sulfolobus, чтобы обеспечить усиленную репарацию поврежденной ДНК с помощью гомологичной рекомбинации. Археи делятся на 3 подгруппы: галофилы, метаногены и термоацидофилы. Первая группа, метаногены, - это архебактерии, обитающие в болотах и болотах, а также в кишечнике человека. Они также играют важную роль в разложении и разложении мертвых организмов. Метаногены - анаэробные организмы, которые погибают при воздействии кислорода. Вторая подгруппа архебактерий, галофилы, - это организмы, которые обитают в районах с высокой концентрацией соли, таких как Большое Соленое озеро и Мертвое море. Третья подгруппа термоацидофилов, также называемых термофилами, - это организмы, обитающие в кислых областях. Они присутствуют в областях с низким уровнем pH, таких как горячие источники и гейеры. Большинство термофилов обитает в Йеллоустонском национальном парке.
Архейская генетика - это изучение генов, состоящих из одиночных безъядерных клеток. Археи имеют одиночные кольцевые хромосомы, которые содержат несколько источников репликации для инициации синтеза ДНК. Репликация ДНК архей включает сходные процессы, включая инициацию, удлинение и завершение. Примаза, используемая для синтеза праймера РНК, различается по сравнению с эукариотами. Примаза архей является высокопроизводительной версией мотива распознавания РНК (RRM). Археи происходят от грамположительных бактерий, которые имеют один липидный бислой и устойчивы к антибиотикам. Археи похожи на митохондрии эукариот в том, что они выделяют энергию в виде аденозинтрифосфата (АТФ) посредством химической реакции, называемой метаболизмом. Некоторые археи, известные как фототрофные археи, используют энергию солнца для производства АТФ. АТФ-синтаза используется в качестве фотофосфорилирования для преобразования химических веществ в АТФ.
Археи и бактерии структурно похожи, хотя они и не имеют близкого родства в древе жизни. Форма как бактерий, так и клеток архей варьируется от сферической формы, известной как кокк, до формы палочки, известной как палочка. Они также связаны с отсутствием внутренней мембраны и клеточной стенки, которая помогает клетке сохранять свою форму. Несмотря на то, что клетки архей имеют клеточные стенки, они не содержат пептидогликан, что означает, что археи не производят целлюлозу или хитин. Археи наиболее тесно связаны с эукариотами из-за наличия тРНК в архее, но не у бактерий. Археи имеют те же рибосомы, что и эукариоты, которые синтезируются в белки. Помимо морфологии архей и бактерий, между этими доменами есть и другие различия. Археи, которые живут в экстремальных и суровых условиях с низким уровнем pH, таких как соленые озера, океаны и в кишечнике жвачных животных и человека, также известны как экстремофилы. Напротив, бактерии встречаются в различных областях, таких как растения, животные, почва и камни.
Грибы могут быть как многоклеточными, так и одноклеточными организмами, и их можно отличить от других микробы по способу получения питательных веществ. Грибы выделяют ферменты в окружающую среду, чтобы расщепить органические вещества. Генетика грибов использует дрожжи и нитчатые грибы в качестве модельных организмов для генетических исследований эукариот, включая регуляцию клеточного цикла, структуру хроматина и генную регуляцию.
Исследования гриба Neurospora crassa существенно помогли понять, как работают гены. N. crassa - это разновидность красного хлеба плесень типа Ascomycota. Он используется в качестве модельного организма, потому что его легко выращивать и у него гаплоидный жизненный цикл, который упрощает генетический анализ, поскольку рецессивные признаки будут обнаруживаться в потомство. Анализ генетической рекомбинации облегчается упорядоченным расположением продуктов мейоза в аскоспорах. В естественной среде N. crassa обитает в основном в тропических и субтропических регионах. Часто его можно найти растущим на мертвых растениях после пожаров.
Neurospora использовалась Эдвардом Татумом и Джорджем Бидлом в своих экспериментах, за которые они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1958 году. Результаты этих экспериментов привели непосредственно к гипотезе фермента один ген - один о том, что конкретные гены кодируют определенные белки. Эта концепция оказалась первым оружием в том, что стало молекулярной генетикой и всеми последующими разработками.
Saccharomyces cerevisiae - дрожжи из тип Ascomycota. Во время вегетативного роста, который обычно происходит при изобилии питательных веществ, S. cerevisiae воспроизводится посредством митоза как диплоидные клетки. Однако при голодании эти клетки претерпевают мейоз с образованием гаплоидных спор. Спаривание происходит, когда гаплоидные клетки противоположных типов спаривания MATa и MATα вступают в контакт. Ruderfer et al. указал, что в природе такие контакты между близкородственными дрожжевыми клетками часты по двум причинам. Во-первых, клетки противоположного типа спаривания присутствуют вместе в одной и той же acus, мешочке, который содержит клетки, непосредственно продуцируемые одним мейозом, и эти клетки могут спариваться друг с другом.. Вторая причина заключается в том, что гаплоидные клетки одного типа спаривания при делении клеток часто продуцируют клетки противоположного типа спаривания. Анализ происхождения природных штаммов S. cerevisiae пришел к выводу, что ауткроссинг происходит очень редко (примерно один раз на каждые 50 000 делений клеток). Относительная редкость мейотических событий, возникающих в результате ауткроссинга, предполагает, что возможные долгосрочные выгоды от ауткроссинга (например, формирование разнообразия) вряд ли будут достаточными для общего сохранения пола от одного поколения к другому. Скорее краткосрочная выгода, такая как мейотическая рекомбинационная репарация повреждений ДНК, вызванных стрессовыми условиями (такими как голодание), может быть ключом к поддержанию пола у S. cerevisiae.
Candida albicans - диплоидный гриб, который растет как в виде дрожжей, так и в виде филамента. C. albicans - наиболее распространенный грибковый патоген у человека. Это вызывает как изнурительные инфекции слизистых оболочек, так и потенциально опасные для жизни системные инфекции. C. albicans поддерживает сложный, но в значительной степени скрытый брачный аппарат. Джонсон предположил, что стратегии спаривания могут позволить C. albicans выжить во враждебной среде хозяина-млекопитающего.
Среди 250 известных видов аспергилл около 33% имеют идентифицированное половое состояние. Среди тех видов Aspergillus, которые демонстрируют половой цикл, подавляющее большинство в природе являются гомоталлическими (самооплодотворяющимися). Самоопыление гомоталлических грибов Aspergillus nidulans включает активацию те же пути спаривания, характерные для пола у ауткроссинговых видов, т. е. самооплодотворение не обходит требуемые пути для ауткроссинга, а вместо этого требует активации этих путей в пределах одного человека. Слияние гаплоидных ядер происходит в репродуктивных структурах, называемых клейстотециев, в которых диплоидная зигота подвергается мейотическим делениям с образованием гаплоидных аскоспор.
Простейшие - одноклеточные организмы, у которых есть ядра. и ультрамикроскопические клеточные тела в их цитоплазме. Одним из конкретных аспектов простейших, которые представляют интерес для генетиков человека, являются их жгутики, которые очень похожи на жгутики сперматозоидов человека.
Исследования Paramecium помогли нам понять функцию мейоза. Как и все инфузории, Paramecium имеет полиплоид макронуклеус и одно или несколько диплоидных микроядер. макронуклеус контролирует нерепродуктивные функции клеток, экспрессируя гены, необходимые для повседневного функционирования. микроядро - генеративное или зародышевое ядро , содержащее генетический материал, который передается от одного поколения к другому.
В фазе роста бесполого деления, во время которого деление клеток происходит посредством митоза, а не мейоза, происходит клональное старение, ведущее к постепенной потере жизнеспособности. У некоторых видов, таких как хорошо изученный Paramecium tetraurelia, бесполая линия клонально стареющих парамеций теряет жизнеспособность и умирает примерно после 200 делений, если клетки не проходят мейоз с последующей автогамией (самооплодотворение) или конъюгацией (ауткроссингом) (см. старение в Paramecium ). Повреждение ДНК резко увеличивается во время последовательных делений клональных клеток и является вероятной причиной клонального старения у P. tetraurelia.
Когда клонально состаренные P. tetraurelia стимулируются к мейозу в сочетании с автогамией или конъюгация, потомство омолаживается и может иметь гораздо больше митотических двойных делений деления. Во время любого из этих процессов микроядра клетки (клеток) подвергаются мейозу, старое макронуклеус распадается, и новое макронуклеус образуется путем репликации микроядерной ДНК, которая недавно подверглась мейозу. Очевидно, что повреждение ДНК в новом макронуклеусе незначительно, если оно вообще есть, что позволяет предположить, что омоложение связано с восстановлением этих повреждений в микроядре во время мейоза.
Вирусы - это Организмы, кодирующие капсид, состоящие из белков и нуклеиновых кислот, которые могут самособираться после репликации в клетке-хозяине с использованием механизма репликации хозяина. В науке существуют разногласия относительно того, живы ли вирусы из-за отсутствия в них рибосом. Понимание вирусного генома важно не только для исследований в области генетики, но и для понимания их патогенных свойств.
Многие типы вирусов способны к генетической рекомбинации. Когда два или более отдельных вируса одного типа заражают клетку, их геномы могут рекомбинировать друг с другом с образованием потомства рекомбинантного вируса. И ДНК, и РНК вирусы могут подвергаться рекомбинации. Когда два или более вируса, каждый из которых содержит летальные геномные повреждения, инфицируют одну и ту же клетку-хозяин, вирусные геномы часто могут спариваться друг с другом и подвергаться гомологичной рекомбинационной репарации с образованием жизнеспособного потомства. Этот процесс известен как повторная активация множественности. Ферменты, используемые для реактивации множественности, функционально гомологичны ферментам, используемым в рекомбинационной репарации бактерий и эукариот. Было обнаружено, что реактивация множественности происходит с патогенными вирусами, включая вирус гриппа, ВИЧ-1, аденовирус обезьяньего вируса 40, вирус осповакцины, реовирус, полиовирус и вирус простого герпеса, а также многочисленные бактериофаги.
Любой живой организм может заразиться вирус, давая паразитам возможность расти. Паразиты питаются питательными веществами другого организма, что позволяет вирусу процветать. Как только человеческое тело обнаруживает вирус, оно создает боевые клетки, которые атакуют паразита / вирус; буквально, вызывая войну внутри тела. Вирус может поражать любую часть тела, вызывая широкий спектр заболеваний, таких как грипп, простуда и заболевания, передающиеся половым путем. Грипп - это вирус, передающийся по воздуху, который распространяется через крошечные капли и официально известен как грипп. Паразиты путешествуют по воздуху и поражают дыхательную систему человека. Люди, изначально инфицированные этим вирусом, передают инфекцию в результате обычной повседневной деятельности, такой как разговор и чихание. Когда человек вступает в контакт с вирусом, в отличие от обычной простуды, вирус гриппа поражает людей практически сразу. Симптомы этого вируса очень похожи на простуду, но намного хуже. Боль в теле, боль в горле, головная боль, холодный пот, мышечные боли и усталость - вот многие из многих симптомов, сопровождающих вирус. Вирусная инфекция верхних дыхательных путей приводит к простуде. При таких симптомах, как боль в горле, чихание, небольшая температура и кашель, простуда обычно безвредна и имеет тенденцию проходить в течение недели или около того. Простуда также является вирусом, который распространяется по воздуху, но также может передаваться через прямой контакт. Для развития симптомов этой инфекции требуется несколько дней; это постепенный процесс, в отличие от гриппа.
Taq-полимераза, которая используется в полимеразной цепной реакции (ПЦР) Микробы идеально подходят для биохимии и генетика изучает и внесла огромный вклад в эти области науки, например, продемонстрировав, что ДНК является генетическим материалом, что ген имеет простую линейную структуру, что генетический код представляет собой триплетный код и что ген экспрессия регулируется специфическими генетическими процессами. Жак Моно и Франсуа Жакоб использовали Escherichia coli, тип бактерий, для развития оперона модель экспрессии гена , которая лежит в основе экспрессии и регуляции гена. Кроме того, процессы одноклеточных эукариотических микроорганизмов аналогичны процессам в многоклеточных организмах, что позволяет исследователям также собирать информацию об этом процессе. Еще одна бактерия, которая внесла большой вклад в область генетики, - это Thermus aquaticus, бактерия, которая переносит высокие температуры. Ученые выделили из этого микроба фермент Taq-полимеразу, который сейчас используется в мощной экспериментальной технике Полимеразная цепная реакция (ПЦР). Кроме того, развитие технологии рекомбинантной ДНК с использованием бактерий привело к рождению современной генной инженерии и биотехнологии.
С использованием микробов были разработаны протоколы для вставки генов в бактериальные плазмиды, пользуясь преимуществом их быстрого воспроизводства, чтобы создать биофабрики для интересующего гена. Такие генно-инженерные бактерии могут производить фармацевтические препараты, такие как инсулин, гормон роста человека, интерфероны и факторы свертывания крови. Эти биофабрики обычно намного дешевле в эксплуатации и обслуживании, чем альтернативные методы производства фармацевтических препаратов. Они похожи на миллионы крошечных фармацевтических машин, которым требуется только базовое сырье и подходящая среда для производства большого количества продукта. Использование одного только гена человеческого инсулина оказало глубокое влияние на медицинскую промышленность. Считается, что биофабрики могут стать ключевым фактором снижения цен на дорогостоящие жизненно важные фармацевтические препараты.
Микробы синтезируют различные ферменты для промышленного применения, такие как ферментированные продукты, реагенты для лабораторных тестов, молочные продукты (такие как ренин ) и даже в одежде (например, Trichoderma грибок, фермент которого используется для придания джинсам вида выстиранных камней).
В настоящее время существует возможность использования микробов в качестве альтернативы поверхностно-активным веществам на нефтяной основе. Микробные поверхностно-активные вещества по-прежнему будут иметь те же типы гидрофильных и гидрофобных функциональных групп, что и их аналоги на нефтяной основе, но они имеют множество преимуществ перед конкурентами. Для сравнения, микробные амфифильные соединения имеют устойчивую тенденцию оставаться работоспособными в экстремальных условиях, таких как участки с высокой температурой или экстремальным pH. все это биологически разлагаемое и менее токсичное для окружающей среды. Этот эффективный и дешевый метод производства может стать решением постоянно растущего глобального потребления поверхностно-активных веществ. По иронии судьбы, применение поверхностно-активных веществ на биологической основе наиболее востребовано в нефтяной промышленности, где поверхностно-активные вещества используются как в общем производстве, так и при разработке конкретных масляных композиций.
Микробы являются обильным источником липаз которые имеют широкий спектр промышленных и бытовых применений. Ферменты выполняют широкий спектр функций внутри клеток живых существ, поэтому имеет смысл только использовать их для аналогичных целей в большем масштабе. Микробные ферменты обычно предпочтительны для массового производства из-за большого разнообразия доступных функций и их способности производить массово. Ферменты растений и животных обычно слишком дороги для массового производства, однако это не всегда так. Особенно у растений. Промышленное применение липаз обычно включает фермент в качестве более эффективного и экономичного катализатора при производстве коммерчески ценных химикатов из жиров и масел, поскольку они способны сохранять свои специфические свойства в мягких, простых в поддержании условиях и работать с повышенной скоростью.. Другие уже успешные применения липолитических ферментов включают производство биотоплива, полимеров, нестереоизомерных фармацевтических препаратов, сельскохозяйственных соединений и соединений, усиливающих вкус.
Что касается промышленной оптимизации, преимущество биофабричного метода производства заключается в возможность прямой оптимизации посредством направленной эволюции. Эффективность и специфичность производства со временем увеличатся за счет искусственного отбора. В этом методе повышения эффективности нет ничего нового в сельском хозяйстве, но это относительно новая концепция в промышленном производстве. Считается, что этот метод будет намного лучше обычных промышленных методов, потому что у вас есть оптимизация по нескольким направлениям. Во-первых, микроорганизмы, из которых состоят биофабрики, могут развиваться в соответствии с нашими потребностями. Второй фронт - это традиционный метод оптимизации, вызванный интеграцией передовых технологий. Эта комбинация традиционных и биологических достижений только сейчас находит применение и обеспечивает практически безграничное количество приложений.
