Bakterium diubah dari symbiont menjadi parasit, mengubah genomnya • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Genetik, Mikrobiologi

Bakterium bertukar dari symbiont menjadi parasit, dengan mengubah genomnya

Di atas: ulat rama-rama Galleria mellonelladibunuh oleh bakteria bercahaya Photorhabdus luminescens. Turun di bawah: bakteria yang sama hidup dengan aman di dalam usus cacing Heterorhabditis bacteriophora (kali ini mereka tidak bersinar dengan cahaya mereka sendiri, tetapi terima kasih kepada protein pendarfluor, gen yang memperkenalkan genetik kepada mereka). Imej © Todd Ciche dari microbewiki.kenyon.edu

Bakteria bercahaya Photorhabdus hidup bergantian dalam cacing bundar, di mana dia bertindak sebagai pengembara yang bermanfaat, maka di dalam serangga, yang mana ia adalah patogen yang mematikan. Peralihan dari satu negeri ke negara lain disertai dengan perubahan radikal dalam sifat-sifat sel bakteria. Mikrob diubah dari bentuk P-patogen ke bentuk M mutualistik disebabkan oleh perubahan genetik yang kecil – putaran (penyongsangan) rantau pengawalseliaan genom – penganjur madswitch. Sekiranya penganjur berada di kedudukan "pada", bakteria menghasilkan bahan-bahan yang diperlukan untuk kehidupan damai di dalam badan cacing. Memilih promoter ke kedudukan "off" menghalang bakteria kemampuan untuk menembusi sel-sel cacing, tetapi membolehkan mereka menghasilkan toksin, mematikan serangga, serta antibiotik dan bahan-bahan lain yang diperlukan untuk kewujudan bersama bakteria dan cacing dalam tubuh serangga yang mati.Penyongsangan promoter dijalankan oleh dua enzim khas – invertase DNA, dan ini berlaku lebih kurang secara rawak. Kepelbagaian bentuk P di dalam tubuh serangga dan bentuk M-dalam sel-sel cacing, nampaknya dijelaskan oleh pemilihan, iaitu kelebihan selektif bahawa bentuk-bentuk ini mempunyai dalam keadaan yang berbeza.

Bakteria bercahaya Photorhabdus luminescens membentuk "perikatan pertempuran" yang luar biasa dengan nematod Heterorhabditis bacteriophoradengan mana mereka memburu serangga.

Nematoda muda dengan banyak bakteria di dalam usus ditanam dalam serangga dan mengetuk semua bakteria ke dalam rongga badan mangsa. Cacing menggunakan symbionts sebagai senjata biologi. Bacteria cepat membunuh serangga dengan bantuan toksin Tc dan Mcf, yang mempunyai kesan serangga yang kuat. Kemudian kuman dan cacing mula mencerna tubuh mangsa dan berlipat ganda bersama-sama. Pada masa yang sama, bakteria tidak hanya menjaga diri mereka sendiri, tetapi juga cacing: mereka menghasilkan protein khas dengan kandungan asid amino yang penting (protein penyertaan kristal, Cips) yang diperlukan untuk pemakanan cacing. Di samping itu, mereka menghasilkan antibiotik yang menghalang mikroba lain daripada membiak dalam serangga mati.Akhirnya, mereka bercahaya – mungkin untuk menarik serangga lain dan dengan itu memudahkan pemburuan nematoda muda.

Cacing itu memakan tisu mangsa, sekali lagi menjangkiti bakteria bercahaya. Symbionts melekat pada dinding usus dan masukkan sel-sel kelenjar rektal (sel-sel kelenjar rektum), di mana mereka merangsang pembentukan vaksin di mana bakteria terus berkembang. Sel-sel kemudian meletup, membebaskan bakteria ke rongga badan cacing. Di sini mereka ditelan oleh cacing muda yang berkembang di dalam tubuh ibu. Pada akhirnya, cacing lama mati, dan anak muda muncul dari situ dan dari badan serangga dan mencari mangsa yang baru.

Oleh itu, bakteria hidup secara bergantian dalam cacing, bertindak sebagai simbiote dan sekutu, maka dalam serangga yang mereka kejam menghukum. Bagaimanakah mereka menguruskan untuk menggabungkan "profesi" yang berbeza? Satu artikel oleh ahli mikrobiologi dan ahli genetik Amerika yang diterbitkan dalam jurnal baru-baru ini Sains.

Penulis mendapati bahawa bakteria P. luminescens Dalam usus, nematoda dibahagikan kepada dua jenis: besar (1.2 × 4.4 μm), membentuk koloni legap besar pada medium buatan, dan kecil (0.8 × 1.2 μm), membentuk koloni telus kecil.Yang pertama dipanggil bentuk P, bentuk kedua – M (dari kata patogenik dan mutualistik). Ternyata hanya bentuk M yang dapat melekat pada dinding usus cacing, menembus sel-selnya, dan kemudian ke dalam usus orang muda. Borang M – pakar dalam bersekedudukan dengan aman dengan cacing. Borang P lebih besar bertanggungjawab untuk membunuh serangga. Ia adalah nematoda dewasa yang menelan mereka, memberi makan pada tisu serangga yang mati. Tetapi kemudian di dalam usus cacing, sebahagian daripada bentuk P berubah menjadi bentuk M. Mereka dihantar ke nematoda generasi akan datang.

P dan bentuk bakteria M Photorhabdus luminescens. Di sebelah kiri – koloni besar bentuk P dan koloni M-bentuk kecil. Di sebelah kanan – sel-sel P besar dan sel-sel M kecil. Yang terakhir bersinar hijau kerana ia dimasukkan ke dalam operon. gila gen protein fluoresen hijau. Gen yang sama dimasukkan ke dalam genom P-bentuk, tetapi mereka tidak fluoresce kerana promoter madswitch mereka berada di "off" dan operon gila tidak dinyatakan. Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Bagaimanakah transformasi itu? Sebelum ini telah ditunjukkan bahawa sekumpulan gen bakteria diperlukan untuk mewujudkan hubungan mutualistik dengan cacing. gila (lekatan ibu), yang menghasilkan protein yang membolehkan mikroba melekat pada dinding usus nematoda dewasa. Aktiviti gen gila dikawal oleh seorang promoter yang sering mengalami penyongsangan, menjadikannya "kedudukan" (dan kemudian gen gila kerja), kemudian dalam kedudukan "mati" (dan kemudian gen ini diam). Rantau pengawalan DNA ini, tertakluk kepada penyongsangan yang kerap, dipanggil madswitch (yang diterjemahkan dengan jelas sebagai "suis gen gila"dan bukan sebagai" suis gila ", walaupun nama ini sesuai dengannya dengan baik).

Komposisi madswitch termasuk 257 pasangan nukleotida. "Tukar" dibatasi pada kedua-dua pihak dengan ulangan berbalik – urutan palindromik sebanyak 36 nukleotida masing-masing. Penyebaran tapak sedemikian boleh dilakukan oleh enzim khas – Invertase DNA, atau rekombinasi khusus tapak (lihat: Protein buatan akan membantu mengalahkan HIV, "Elements", 05.07.2007). Gen untuk satu invertase sedemikian, madRterletak berhampiran madswitchdi sisi lain blok gen yang dikendalikannya gila.

Susunan gen bersama gila dan promoter madswitch pada bakteria kromosom Photorhabdus luminescens. Setiap gen digambarkan sebagai anak panah yang menunjukkan arah transkripsi ("membaca"). Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Penulis menunjukkan bahawa transformasi bentuk P ke bentuk dan belakang M disediakan dengan menukar madswitch. Bentuk M madswitch berada dalam kedudukan "pada". Oleh itu, mereka menyatakan lapan gen giladiperlukan untuk memasang bakteria ke dinding usus (madA, madB, madC, madD, madE, madF, madG, madH). Walau bagaimanapun, bukan gen ini yang bertanggungjawab untuk transformasi bentuk P-ke dalam bentuk M. Jika anda memadamkannya, apabila diaktifkan madswitch transformasi masih berlaku. Ternyata peranan penting dalam transformasi dimainkan oleh gen madJyang juga dikawal oleh suis madswitchtetapi tidak mengambil bahagian dalam lampiran bakteria ke sel usus. Ternyata, ini pengawal gen yang mengawal aktiviti beberapa gen lain. Sekiranya anda memadamkannya, borang P tidak berubah menjadi bentuk M. Transformasi juga tidak berlaku jika anda mengalih keluar salah satu ulangan berbalik. madswitch. Dengan cara ini, penulis menghasilkan keturunan bentuk "P" dan M-bentuk "abadi", yang tidak dapat bertukar menjadi satu sama lain. Strain ini telah membantu untuk meneroka dengan terperinci banyak perbezaan antara bentuk.

Ternyata hanya bentuk P dalam kuantiti yang banyak menghasilkan toksik racun serangga, antibiotik untuk melawan bakteria yang bersaing, protein pemakanan Cip dan bahan lain yang memerlukan nematod untuk pertumbuhan dan pembiakan normal dalam serangga yang mati. Di samping itu, bentuk P lebih cerah dan berenang lebih aktif. Borang M-membosankan (hampir tidak menghasilkan luciferase) dan tetap.Mereka membiak lebih perlahan daripada bentuk P-dalam medium tiruan dan dalam usus nematoda. Tetapi bentuk M dicirikan dengan peningkatan rintangan terhadap antibiotik Ciprofloxacin dan streptomycin. Rupa-rupanya, metabolisme bentuk M pada umumnya perlahan. Ini adalah sejenis "fasa tidur" dalam kitaran hidup. P. luminescens. Mungkin perencatan sedemikian memberi manfaat kepada mereka semasa mereka hidup di dalam nematoda dan masa belum lagi menyerang serangga.

Penulis juga mendapati bahawa invertase DNA madRyang gennya bersebelahan dengan penganjur madswitch bertanggungjawab untuk menukarnya ke kedudukan "mati", yang membawa kepada transformasi bentuk M ke bentuk P. Penukaran terbalik dilakukan oleh invertase DNA. madOyang gennya berada di bahagian lain kromosom.

Secara prinsip, bakteria dapat mengawal kekerapan transformasi langsung dan terbalik, mengubah tahap ekspresi dari invertase DNA ini. Tidak jelas sama ada mereka sebenarnya melakukan ini. Pada medium tiruan, transformasi berlaku secara rawak: Borang P-diubah menjadi bentuk M dengan frekuensi 1.21 · 10-3 setiap sel setiap generasi, frekuensi transformasi terbalik di bawah: 4.30 · 10-5. Rupa-rupanya, dalam keadaan semulajadi nisbah kedua-dua bentuk tidak ditadbir oleh frekuensi transformasi, seperti pemilihan semula jadi.Dalam rongga usus cacing dan di dalam tubuh serangga, bentuk-bentuk P sangat mendominasi, kerana mereka melipatgandakan lebih cepat (iaitu, mereka mempunyai kelebihan selektif atas bentuk-M, menggantikannya). Tetapi hanya bentuk M boleh dilampirkan ke dinding usus, menembusi sel-sel kelenjar rektum dan menjadi cacing muda, oleh itu yang berlaku semasa tahap-tahap kitaran hidup ini. Walau bagaimanapun, dalam masa seminggu selepas penembusan bakteria ke nematoda muda bentuk M dalam ususnya hampir sepenuhnya digantikan oleh bentuk P. Akibatnya, cacing itu "bersenjata" dan bersedia menyerang serangga.

Oleh itu, bakteria sebahagiannya secara rawak, sebahagiannya "sengaja" mengubah genom mereka untuk bergerak dari satu persekitaran ke tempat yang lain dan beralih dari cumi-cumi yang aman cacing ke pembunuh serangga berbahaya dan belakang. Cara penyesuaian yang luar biasa terhadap keadaan yang berubah-ubah, berdasarkan perubahan yang dapat diubah dalam genomnya sendiri, mengingatkan kepada kebolehubahan pengubahsuaian, tetapi hanya secara dangkal. Dalam kes ubahsuaian pengubahsuaian, hanya aktiviti gen berubah, dan genom kekal tidak berubah. Oleh itu, perubahan tersebut ("ciri yang diperoleh") tidak diwarisi. Dalam kes P. luminescens genom berubah, dan perubahan ini sudah tentu diwarisi. Secara rasmi, mereka juga boleh dipanggil "evolusi", kerana terdapat perubahan keturunan (mutasi) yang disokong oleh pemilihan dan membantu organisma untuk menyesuaikan diri dengan alam sekitar. Dalam kes ini, perlu diakui bahawa dalam bakteria ini, perubahan evolusi menjadi bahagian penting dalam kitaran hayat.

Sumber: Vishal S. Somvanshi, Rudolph E. Sloup, Jason M. Crawford, Alexander R. Martin, Anthony J. Heidt, Kwi-suk Kim, Jon Clardy, Todd A. Ciche. Satu Inversi Promoter Satu Menukar Photorhabdus Antara Patogenik dan Mutualistic States // Sains. 2012. V. 338. P. 88-93.

Lihat juga:
Photorhabdus luminescens: The Glow Angel. Mengikut legenda, beberapa tentera yang cedera ketika luka Perang Saudara Amerika bercahaya di dalam kegelapan, dan luka bercahaya seperti itu lebih baik dari biasanya. Mungkin fenomena ini, yang dipanggil "Angel's Glow", disebabkan oleh bakteria Photorhabdus: selepas semua, mereka boleh bersinar dan mengeluarkan antibiotik.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: